《自主移动机器人 》课件 第3章 运动学建模 2 躯干式移动机器人运动学建模

3.3躯干式移动机器人周春琳浙江大学控制科学与工程学院躯干式移动机器人借鉴动物的身体结构和移动方式、利用仿生肢体（包括腿足、翅膀、鳍、蹼等）与环境相互作用获得驱动力，基于仿生原理设计的机器人系统躯干不仅起到连接仿生肢体的作用，还可能部分甚至全部参与到驱动力的生成过程中。主要类别仿生游动机器人仿生飞行机器人仿生游动机器人仿生游动机器人的躯干在移动过程中会发生形态变化，与仿生鱼鳍等机构共同构成推进装置，与水交互作用产生移动所需的推力仿生梭鱼（RoboPike）

仿生蝠鲼机器鱼（RoMan-II）游动形态分类根据鱼类躯干参与游动的部分占比身体-尾鳍（bodyand/orcaudalfin，BCF）推进类型对称鳍（medianand/orpairedfin，MPF）推进类型根据摆动和波动两种运动形态的占比摆动推进模式（Oscillation）和波动推进模式（Undulation）游动形态分类摆动波动鳗鱼鳟鱼鲭鱼巴斯鱼长角鱼典型BCF方式推进鱼类游动形态分类刺魟河豚弓鳍鱼长刀鱼炮弹鱼胸鳍背鳍腹（尾）鳍背鳍+腹（尾）鳍典型MPF方式推进鱼类游动运动建模鱼类游动时身体从头到尾不断产生行波与水流发生交互作用，水的反作用力推动鱼向前游动根据Lighthill的细长体理论，这种行波可以用经典的平面波动函数来进行描述

游动运动建模-BCFBCF推进机构采用简化的刚性或弹性连杆来模拟鱼类骨骼，通过旋转关节和连杆构成的串联开链结构模拟BCF鱼类的脊椎和尾鳍，采用连杆有序摆动的方式模拟鱼类的运动形态

游动运动建模-BCF由于各个连杆依次周期性摆动，因此可以采用三角函数来模拟连杆的运动规律：

游动运动建模-BCF

游动运动建模-MPFMPF推进机构通常由绕着固定躯干节律性摆动的连杆构成，每个连杆可以独立摆动，连杆上附着一层具有延展弹性的材料作为仿生鳍，多个连杆协调配合摆动，通过仿生鱼鳍生成行波产生推力鳍条固定在躯干的转动关节(b)鳍条转动关节(a)游动运动建模-MPF为使MPF仿生鳍产生行波，每一个连杆有序交替摆动，其运动规律依然可以采用式（3-42）中的简写振动函数来描述

人工中枢模式发生器（CPGs）生理学研究发现，动物的节律运动模式未必是从高级神经单元（如大脑）直接产生，而是由位于分布在身体局部部位（如脊椎动物的脊椎内）的特殊神经网络产生，形成一种分布式的控制策略，构成这一网络的神经元被称为中枢模式发生器（CentralPatternGenerators,CPGs）CPG可以产生节律运动控制信号，多个CPG构成的网络可以使得多肢体运动协调起来。借助这一思想构造人工CPG，可以用来控制多关节机器人的运动Hopf振荡器用于构造人工CPG的非线性振荡器有多种形式，一种有效的方法是利用Hopf振荡器作为基本的CPG单元：

u和v是振荡器的两个系统状态变量，分别是时间t(t≥0)的函数；A(A≥0)确定了振荡器输出的幅值，f是振荡频率，参数k(k>0)用于调节振荡器收敛的速度Hopf振荡器系统状态初值为(0.5,0.5)时Hopf振荡器的输出(A=1,k=1)Hopf振荡器的极限环振荡器网络当机器鱼多个关节协调运动时，每个关节需要一组振荡器产生节律运动控制信号，关节的协调可以通过振荡器之间的耦合来实现

基于CPG的仿生游动建模多个振荡器连接起来可以控制仿生鱼的多个关节节律运动，连接方式可以根据关节的位置配置和相位关系确定假设仿生鱼由8根连杆驱动，则需要8个振荡器串联构成人工CPG模型基于CPG的仿生游动建模

基于CPG的仿生游动建模(a-c)调节波数、波动频率以及关节间相位控制参数在线调节后CPG的输出基于CPG的仿生游动建模控制参数在线调节后CPG的输出(d)CPG输出的8个关节角随时间的变化(n=8,ε=1,k=10)仿生飞行机器人仿生飞行机器人采用扑翼结构作为动力发生机构，通过扑翼与空气之间复杂的相互作用来维持稳定的飞行升力和姿态DelFlyNanohummingbird仿生飞行机器人仿生飞行机器人采用扑翼结构作为动力发生机构，通过扑翼与空气之间复杂的相互作用来维持稳定的飞行升力和姿态DelFlyNanohummingbird仿生飞行机器人飞行需要消耗大量的能量，必须采取更加轻巧和高效的机构设计来减少能量消耗，仿生飞行机器人普遍为轻量化微型机器人基于材料共振驱动的微型扑翼飞行器仿生飞行运动建模飞行需要消耗大量的能量