第9章 仿生机器人
2020-03-01 251浏览
- 1.机器人引论 第9章 仿生机器人
- 2.第9章 仿生机器人 o o o o 9.1 仿生机器人的特点 9.2 仿生机器人的研究概述 9.3 仿生机器鱼 9.4 四足仿生机器人
- 3.9.1 仿生机器人的特点 o 仿生机器人是近十几年来出现的新型机器人。它的思想 来源于仿生学，其目的是研制出具有动物某些特征的机 器人。 o 仿生机器人是仿生学的先进技术与机器人领域的各种应 用的最佳结合。 o 仿生机器人是机器人发展的最高阶段，它既是机器人研 究的最初目的，也是机器人发展的最终目标之一。 o 机器人分为第零代原始机器人，第一代示教(工业)机器 人，第二代感知(遥控) 机器人，第三代智能机器人和第 四代仿生机器人。
- 4.
- 5.9.2 仿生机器人的研究慨述 9.2.1 研究现状 1 飞行机器人 o 飞行机器人即具有自主导航能力的无人驾驶飞行器。其飞行原理 分为：固定翼飞行、旋翼飞行和扑翼飞行。固定翼技术已经成熟， 但其翼展在200mm以下时不足以产生足够的升力。目前国内外广 泛关注的微型飞行器侧重于扑翼机的研究。它模仿鸟类或昆虫的 扑翼飞行原理，故被称为“人工昆虫”。 目前对飞行运动进行仿生研究的国家主要是美 国，剑桥大学和多伦多大学也在开展相关方面 的研究工作。图2是美国加州大学伯克利分校的 研究小组用了4年的时间，基于仿生学原理制造 出的世界上第一只能飞翔的“机器苍蝇”。 机械苍蝇
- 6.2 陆地仿生机器人 o 机械蜘蛛：美国宇航局(NASA)喷气推进实验室于2002年12月研制成 功的机器蜘蛛Spider-pot，装有一对可以用来探测障碍的天线，且 拥有异常灵活的腿。它们能跨越障碍，攀登岩石，探访靠轮子滚 动前进的机器人无法抵达的区域。 o 壁虎机器人：目前世界上关于仿壁虎机器人的研制还处在初步阶 段，真正实现类似壁虎的全空间无障碍运动的机器人还需要时间。 壁虎机器人： 加州大学伯克利分校 Robert Full等人研制 的能在干燥环境下实 现壁面爬行的仿壁虎 机器人的样机 机械蜘蛛
- 7.3 水下仿生机器人 o 水下机器人又称为水下无人潜器，分为遥控、半自治及自治型。 水下机器人是典型的军民两用技术，不仅可用于海上资源的勘探 和开发，而且在海战中也有不可替代的作用。 o 鱼类的高效、快速、机动灵活的水下推进方式吸引了国内外的科 学家们从事仿生机器鱼的研究。美国、日本等国的科学家们研制 出了各种类型的仿生机器鱼实验平台和原理样机。国内的中科院 自动化研究所和北京航空航天大学等单位已研制了机器鱼样机。 基于鲹科模型的 “游龙”系列机械鱼
- 8.9.2.2 仿生机器人关键技术问题 1 建模问题 o 仿生机器人的运动具有高度的灵活性和适应性，其一般都是 冗余度或超冗余度机器人，结构复杂。运动学和动力学模型 与常规机器人有很大差别，且复杂程度更大。 2 控制优化问题 o 机器人的自由度越多，机构越复杂，必将导致控制系统的复 杂化。复杂巨系统的实现不能全靠子系统的堆积，要做到 “整体大于组分之和”，同时要研究高效优化的控制算法才 能使系统具有实时处理能力。
- 9.3 信息融合问题 o 信息融合技术把分布在不同位置的多个同类或不同类的传感器所 提供的局部环境的不完整信息加以综合，消除多传感器信息之间 可能存在的冗余和矛盾，从而提高系统决策、规划、反应的快速 性和正确性。 4 机构设计问题 o 生物的形态经过千百万年的进化，其结构特征极具合理性，而要 用机械来完全仿制生物体几乎是不可能的，只有在充分研究生物 肌体结构和运动特性的基础上提取其精髓进行简化，才能开发全 方位关节机构和简单关节组成高灵活性的机器人机构。 5 微传感和微驱动问题 o 微型仿生机器人的开发涉及到电磁、机械、热、光、化学、生物 等多学科。对于微型仿生机器人的制造，需要解决一些工程上的 问题。如动力源、驱动方式、传感集成控制以及同外界的通讯等。
- 10.9.2.3 仿生机器人发展趋势 o o o o 特种仿生机器人 微型化仿生机器人 仿形仿生机器人 生物仿生机器人
- 11.9.3 仿生机器鱼 9.3.1鱼类推进理论 1 鱼类形态描述 o 下图给出了常用的描述鱼体形态的术语。 鱼体通常为纺锤形体或 扁平形流线体，可以极 大的减小形体阻力。鳍 对大多数鱼类的游动能 力起到决定性的作用， 一般来讲，尾鳍提供前 向游动的主要动力，中 间鳍起平衡作用，而对 鳍主要起到转弯和平衡 的作用。
- 12.2 鱼类游动方式分类 o 喷射式：乌贼、鱿鱼、水母等依照身体躯干的特殊构造，它们由 身体内部的特殊部位向后挤压水流产生后向推力，利用动量守恒 原理推动身体前进。 o BCF (Body and/or Caudal Fin)推进方式：这种推进方式也被称作尾 鳍摆动式。又可分为鳗行式(Anguilliform)，鳟行式(Carangiform)和 鲉行式(Thunniform)。它们的显著特点是主要利用鱼的身体后半段 和尾鳍协调摆动前进。 o MPF (Median and/or Paired Fin)推进方式：它主要是利用除了尾鳍 之外的一些鱼鳍划动向前推进，如胸鳍、腹鳍、臀鳍、背鳍等。 这类鱼较少，大多数的鱼类只是利用这些鳍来保持平衡和控制转 向。
- 13.(a) 鳗行式：又称身体波动式，如鳗鱼、水蛇等，它们的游动犹如正弦波 形的前进一样，把身体当作推进器，用从头到尾波动身体来游动，其前 进单位距离所需推力最小。 (b) 鳟行式：又称鳍科模式，如蹲鱼、鲜鱼等，是最常见的方式，在速度、 加速度方面和可操控性上有最好的平衡。 (c) 鲉行式：又称鲹 科结合新月形尾鳍 模式，鱼类有灿鱼、 鳍鱼、马林鱼等， 常有大展弦比的尾 鳍，在快速运动中 最为高效。海洋中 游速最高的鱼类大 都采用这种游动方 式。 BCF推进方式 (a)鳗行式 (b)鳟行式 (c) 鲉行式
- 14.o 据统计，大约只有15%的鱼类采用BCF推进方式以外的其他方 式推进。由于MPF推进方式速度慢、效率低，因此我们把研 究的重点放在BCF推进方式中在速度、加速度和可操控性上 有最好的平衡的鲹科模式。 3 鲹科类推进机理 o 在有流速流场里的非流线型物体，会沿来流的方向在其后面形成 一连串交错而反向的尾涡，即卡门涡街。通过观察，人们发现BCF 推进方式中摆动尾鳍后同样有尾涡串的存在，但和卡门涡街恰好 相反，称为反卡门涡街。反卡门涡街形成一种类似喷流的流动， 这种喷流平行于鱼体前进的方向，产生推力。 o 鱼类之所以能造成如此高效率的推进力量，是由于来自尾鳍整合 背后涡流的方式。这些涡流的强度随着尾鳍的力量而增加，但是 它们的旋转轴方向一直都是垂直于鱼体前进的方向，也就使形成 有效推力的喷流平行于鱼体前进的方向。
- 15.一个摆动周期产生反卡门涡街的过程 (a) 尾鳍先以摆动造成一个大涡流； (b) 迅速的顶端摆动造成一个相反方向的涡流； (c) 下摆之后的尾鳍使两个涡流相遇； (d) 相供的两个涡流形成一柱强力的向后喷流，并相互减弱其涡流 强度。
- 16.o 表示尾流反卡门涡街的参数是斯特劳哈尔数St（Strouhal Number )。对于BCF推进方式，斯特劳哈尔数定义为： fA A St U U/f
- 17.4 鲹科类模式鱼体波模型建立及分析 o 根据对鲹科模式鱼类游动的仿生研究及图像分析，得到的鱼体波 特征为一波幅逐渐加大、由头部至尾鳍传播的行波。鱼体波曲线 可通过鱼体波波幅包络线与正弦曲线的合成来进行数学描述： ybody ( x, t ) (c1 x c2 x 2 )sin(kx t )
- 18.o 鲹科模式鱼类在推进游动过程中，身体长度上鱼体波波数 ， 1LB k 1 LB 即鱼体波波长 ( :鱼体长)，鱼体的前部刚度很大，几乎 保持刚性，身体波幅限制在身体的后1/3部分，并且在末端达到 最大值。 o 鲹科模式鱼类在游动过程中通过尾鳍的运动产生超过90%的推进 力，尾鳍的运动是研究的关键。尾鳍运动可视为平动运动和摆动 运动的合成，鱼体波使尾鳍产生平动运动，此运动主要产生击水 动作;尾鳍绕关节旋转产生摆动运动，此运动主要为尾鳍的击水 动作提供合适的攻角。 o 基于以上分析，可将鱼体的前部简化为刚体，由后颈部的摆动运 动代替鱼体波产生尾鳍的平动运动，这也有助于在身体的前部安 装驱动、控制系统以及检测传感器等;后颈部与尾鳍相连的部位 简化为一个旋转的关节，尾鳍则简化为刚性的平板。尾鳍在特定 的旋转和平动运动情况下产生最佳的推进性能。
- 19.9.3.2仿生机器鱼的设计 o 机器鱼是一个复杂的机器人系统，包括机械传动和机电控 制两大部分，其中机械系统犹如整个系统的躯体，控制系 统犹如整个系统的大脑和神经中枢。因此，它必须具有运 动灵活、传动精密的机械本体，结构合理、高效运作的控 制系统，以及运算高速、工作可靠的硬件平台。
- 20.1 几种典型机械鱼机构分析 o UPF-2001机构分析 UPF-2001尾部机构
- 21.o PF-600机构分析 PF-600尾部机构
- 22.o VCUUV机构分析 VCUUV内部结构图 （ElectronicsAssembly:'>Assembly:
