兩棲仿生機器人VIP

兩棲仿生機器人,內容簡介,兩棲機器人的研究背景,兩棲仿生機器人分類,蠑螈機器人原理,兩棲機器人設計要點,兩棲動物作為最原始的陸生脊椎動物,是脊椎動物進化史上由水生到陸生的過渡類型,既有從魚類祖先繼承下來的適應水生生活的性狀,又有適應陸地生活的新性狀.在地球上,除了格陵蘭島以外,其它任何地區(qū)都有兩棲動物,因此具有很強的環(huán)境適應能力。受兩棲類動物的啟發(fā),人們對既能適應陸地和近海灘涂的多變地形,又能適應復雜水環(huán)境的兩棲機器人。自然界中具有良好兩棲適應性的蟹、龜、蛙、鱷魚、企鵝、蠑螈等動物為兩棲機器人設計提供了生物原型。,根據(jù)運動方式不同,目前的兩棲機器人大致可以分為兩類,腿式兩棲機器人,蛇形兩棲機器人,1998年至今,美國東北大學海洋科學中心基于龍蝦和小龍蝦的神經(jīng)控制研究成果相繼開發(fā)了3代機器龍蝦潛在應用是在有海浪和海流的淺水區(qū)域進行自主排雷作業(yè)和偵探任務.機器龍蝦采用8條三自由度的腿推進,每條腿采用以鎳鈦諾合金為材料的人工肌肉為驅動器,并采用神經(jīng)元電路的控制器來實現(xiàn)機器龍蝦的各種行為。,龍蝦作為一種在海底生活了數(shù)百萬年的生物,已經(jīng)進化出了一套完美的系統(tǒng)來進行感知、搜索、運動控制和湍流處理.布魯克林大學的神經(jīng)生物學家針對龍蝦在海洋湍流環(huán)境下具有銳的嗅覺功能這一特點構建了自主水下機器人:探索龍蝦的嗅覺跟蹤機理及應用.,英國巴斯大學開發(fā)了一種酷似螃蟹的原型機器人在水下勘測探索任務中將表現(xiàn)十分出色。對螃蟹爬行姿態(tài)、步態(tài)和爪子爬行跨度進行研究，通過改變步幅長度能夠改變行走速度，就像野生螃蟹一樣靈活自如。這款螃蟹機器人基于螃蟹的身體結構特征設計，行走時與螃蟹十分相似。,水雷對于海軍來講無疑是一種巨大的威脅.由于淺水區(qū)水雷數(shù)量大、傳統(tǒng)掃雷車無法作業(yè)、亂流和泡沫影響探測等原因,水雷探測在這種區(qū)域變得更加困難.,蛇的典型運動方式,2)伸縮運動身體收縮成S形,前部前伸,后部收縮,循環(huán)向前運動,類似手風琴的收縮與伸張當運動空間狹小或者地面摩擦系數(shù)不滿足蜿蜒運動要求時采用伸縮運動,但運動效率低;,1)蜿蜒運動借助身體側面接觸凸凹不平的地面所產生的力前進,身體各部分形成相似的S形運動軌跡,是最普通、最高效的一種運動方式。,3）側向移動從頭部開始,身體部分順次接地、抬起,完成前進運動,身體和地面只有很少的接觸點.在沙地環(huán)境中運行時,滑動摩擦阻力小,因而運動效率高,是一種很好的適應沙漠環(huán)境的運動形式。,4)直線運動靠腹部和地面的摩擦力進行驅動,部分點與點之間有相對運動,適于笨重的蛇類運動.,東京工業(yè)大學研制了一種兩棲蛇形機器人ACM-R5,它不僅能在陸地爬行,還能在水中游動。它由一系列關節(jié)組成,每個關節(jié)有兩個自由度,為了使關節(jié)防水,每個關節(jié)都由伸縮膜覆蓋,關節(jié)連接處用O型圈密封,ACM-R5采用模塊化設計,所有關節(jié)具有相同的結構,并通過CAN總線通信,這種模塊化的設計不僅節(jié)約了設計和加工成本,而且當有關節(jié)出現(xiàn)故障時,只需用另一個關節(jié)替換故障關節(jié)即可,大大方便了機器人的維護.到目前為止,ACM-R5的每個關節(jié)安裝了6個采用了特殊設計的推進機構,稱之為鰭,兼有被動輪和槳的作用,機器蛇在地面進行側面波狀運動時,機器蛇和地面的摩擦系數(shù)要有方向性,即運動路線切線方向的摩擦系數(shù)要小于垂直方向的摩擦系數(shù),采用被動輪可滿足機器蛇對于摩擦系數(shù)的要求,實現(xiàn)蜿蜒運動;另一方面,水蛇之所以能在水中游動,也是由于軸向和縱向水阻力存在差異,雖然ACM-R5的細長體設計本身能滿足水阻力差異,但加上槳之后可以增大阻力差,提高游動效率.,中國科學院沈陽自動化研究所機器人學國家重點實驗室，研發(fā)一種新型水陸兩棲蛇形機器人。該機器人由9個具有密封設計的萬向運動單元組成，保證了樣機在陸地和水中均能靈活運動?；诤喕纳咝吻€得到水陸兩棲蛇形機器人的基本二維運動步態(tài)即蜿蜒運動。對兩個垂直平面上，即水平面和豎直面上基本步態(tài)進行復合，由基于啟發(fā)式思想的三維步態(tài)生成方法，得到包括側向蜿蜒等運動的水陸兩棲蛇形機器人的多種陸地步態(tài)和水下步態(tài)，其中S形翻滾運動和螺旋翻滾運動為蛇形機器人的兩種新型步態(tài)。,腿式和蛇形機器人各有其優(yōu)缺點:,2,3,1,實際環(huán)境適應能力：蛇形機器人實際環(huán)境中的泥濘、荒草、樹枝等不確定因素可能使被動輪的作用降低,甚至失效,嚴重影其運動能力.腿式兩棲機器人比蛇形兩棲機器人具有更好的實際環(huán)境適應能力.,1)兩棲運動能力：傳統(tǒng)的腿式機器人必須改進腿部機構的機械設計和運動方式;蛇形兩棲機器人每個關節(jié)至少應有兩個自由度,這就增加了物理實現(xiàn)上的難度.,應用范圍和維護：當腿式機器人內部出現(xiàn)故障時,往往需要整體拆裝來查找故障原因,不利于維護,蛇形兩棲機器人由于其特有的細長體結構,可以在狹小空間內自由活動,且采用模塊化設計，便于維護,設計兩棲機器人要解決的問題,welcometousethesePowerPointtemplates,NewContentdesign,10yearsexperience,1)水陸兩棲復合推進系統(tǒng)建模.生物體在億萬年的進化歷程中已經(jīng)獲得了精細的肌體結構和巧妙的神經(jīng)控制來與環(huán)境相適應,兩棲機器人要具有像兩棲動物一樣的靈活性和適應性,那么其運動學和動力學模型必定與常規(guī)機器人有較大差別。系統(tǒng)建模時,應將仿生原型的形態(tài)參數(shù)和運動參數(shù)與實際機電系統(tǒng)的物理約束相結合,在滿足實際應用需求的基礎上盡量簡化推進模型,實現(xiàn)機構的可控性。,兩棲機器人未來要解決的問題,welcometousethesePowerPointtemplates,NewContentdesign,10yearsexperience,2)兩棲復合推進機構設計與實現(xiàn).機器人在陸地和水中的推進方式有很多種,其運動原理各不相同,且各具優(yōu)缺點,如輪式推進結構簡單、控制方便,但地形適應能力差;腿式行走雖有較好的地形適應性,結構和控制卻相對復雜;拍動方式在水中效率高,但不能應用于陸地移動.考慮到機器人空間大小、運動控制的復雜程度以及穩(wěn)定性等因素,在設計兩棲機器人推進機構時,應盡量避免在水陸環(huán)境中分別使用兩套不同的推進機構,而應該采用適用于水、陸兩種環(huán)境的復合推進機構,通過采用復合機構的不同運動形式和控制方法實現(xiàn)水中和陸地推進.,兩棲機器人未來要解決的問題,3)兩棲復合推進機構的運動控制與優(yōu)化.兩棲動物之所以具有卓越的運動能力,不僅在于它們具有靈巧的身體結構,更重要的是其能夠根據(jù)周邊環(huán)境、自身狀態(tài)以及運動要求等,產生各種運動模態(tài)下最優(yōu)的控制參數(shù),使各個身體機構完美地協(xié)調和配合,因此,必須在兩棲機器人系統(tǒng)模型的基礎上,探索有效且容易實現(xiàn)的運動控制和優(yōu)化方法,如能產生節(jié)律運動的CPG等方法,實現(xiàn)兩棲機器人直行推進、上升下潛、轉彎、避障等運動模態(tài)的控制,并通過在線參數(shù)調整克服兩棲環(huán)境諸多干擾和不確定因素等對機器人運動的不利影響.,兩棲機器人未來要解決的問題,welcometousethesePowerPointtemplates,NewContentdesign,10yearsexperience,4)水陸運動模式自主切換機制.：兩棲機器人活動時,要求其運動模式頻繁切換.當環(huán)境變化時,步態(tài)要在一瞬間完全變化,而且要不停地適應新的環(huán)境.當采用復合推進機構時,步態(tài)的變化意味著從一組控制參數(shù)切換到另一組參數(shù),但是如果直接切換控制參數(shù),有可能引起機器人運動機構的劇烈振蕩,破壞機器人的穩(wěn)定性,因此,要有中間控制參數(shù),保證步態(tài)切換平穩(wěn)進行,機器人從某一運動模態(tài)快速、平滑地切換到另一運動模態(tài).但是,由于步態(tài)切換時運動機構所處的狀態(tài)并不確定,中間參數(shù)不能預先設定,因此要求機器人的控制方法能在線自動產生中間參數(shù).,兩棲機器人未來要解決的問題,welcometousethesePowerPointtemplates,NewContentdesign,10yearsexperience,5)信息感知與融合.兩棲動物能在水陸環(huán)境自由地活動,一定程度上在于其具有豐富的感官來感知外界環(huán)境及自身信息,并將多種信息進行融合,對應采取的運動模態(tài)做出相應的判斷和決策,對運動參數(shù)做出調整.同樣,為了實現(xiàn)兩棲機器人自主或半自主控制,機器人必須具備一些基本的功能,如溫度監(jiān)測、障礙物探測、水中深度測量;為了進一步實現(xiàn)智能控制,還應具有速度、傾角、位置、障礙物距離等信息的探測功能。,兩棲機器人未來要解決的問題,welcometousethesePowerPointtemplates,NewContentdesign,10yearsexperience,6)原型系統(tǒng)設計與開發(fā).設計兩棲機器人,要解決防水問題,目前,兩棲和水下機器人采用的防水方式主要有兩種:機構密封和包裹密封.設計兩棲機器人原型系統(tǒng)時,應盡量采用機構密封的方式,或以機構密封為主。兩棲機器人活動范圍廣,運動模態(tài)多,所需的能量消耗也很大，電池容量應該既能充分滿足運動需求,又不大幅增加能耗負擔和機械設計難度。兩棲機器人在水下活動時通過電纜和水面中繼通訊,中繼通過無線方式和控制中心通訊，水下通信技術有待突破。,蠑螈機器人瑞士洛桑聯(lián)邦理工學院和波爾多大學的研究人員開發(fā)了既可在陸地爬行又可在水中游弋的兩棲機器人“蠑螈”。全長約0.9米，由9節(jié)黑黃相間的塑料組成，“蠑螈”將機械、生物進化和神經(jīng)生物學相結合，集游泳、爬行和走路的功能于一身。,作為兩棲類動物，蠑螈非常類似于地球上第一個陸地棲息的脊椎動物。研究人員首先采用電腦模擬像七鰓鰻這樣的動物的脊錐，然后給其肢翼加上行走功能。之后，根據(jù)蠑螈的身體構造仿制出一根長長的脊錐，并在機器人上安置人工神經(jīng)元，這些人工神經(jīng)元完全模擬脊椎動物的脊錐神經(jīng)元，可對來回移動起關鍵作用。,蠑螈機器人的機械結構尺寸：A=9.5cm,B=4.7cm,C=5.8cm。為了提高推力和游動速度。增加了一個被動的，由塑料制成的尾鰭，長度為25厘米。相比一代四肢可以向后折疊。主體元件是完全獨立的，每個人都有自己的電源，電機，電機控制器和變速箱，并且是單獨的防水而不需要外部包絡。所有身體單元的旋轉軸線對齊，這意味著機器人只能使橫向的擺動。但是在連接處可以做一些垂直彎曲。,四肢的設計來源于真實的蠑螈，肢體的腳下是一個橡膠球，有良好的摩擦性能，適用于各種表面。肢體的內部側，有一個磁體。當肢體被向后折疊，該磁體由另一個磁體剛性地固定在本體的側面。其結果是在游泳時四肢處于折疊位置，兩者之間的力足夠高，以保持肢體在折疊位置。只要肢開始轉動，在行走期間兩者之間的距離增加，它們的相互作用會減小。,四肢單元有3個關節(jié)，有兩個可以旋轉，每個單元有三個自由度，于是就有三個電機四肢的狀態(tài)，狀態(tài)1：游泳階段或肢體的擺動階段。狀態(tài)2：初步行走狀態(tài)。狀態(tài)3：重力展開肢體。狀態(tài)5：爬行開始階段。狀態(tài)7：擺動的開始或結束。,蠑螈機器人的控制蠑螈機器人是由非線性耦合振蕩器網(wǎng)絡（CPG）驅動。圖為CPG的網(wǎng)絡拓撲結構和游泳行走每個振蕩器的輸出行為。身體關節(jié)應用單一鏈的雙邊耦合振蕩器。每個肢體都有單一的振蕩器。肢體振蕩器是通過雙邊耦合相互關聯(lián)的，一對前肢和后肢是局部連接到脊椎的相應的振蕩器。1振蕩器是一個驅動頭，25振蕩器帶動軀干，68尾，和912機器人的四肢。每個振蕩器都是振幅控制的相位振蕩器。,是狀態(tài)變量表示的相位和振蕩器的振幅確定其固有頻率和幅度是正常數(shù)，振蕩器間的離合器由決定，相位偏差代表振蕩器有一個X位移后的輸出量，該值用來控制機器人。每個輸出量分別控制相應的身體單元和四肢，作為設定點發(fā)送給每個電動機的PD控制器，表示肢體在爬行開始和結束時轉過的角度。,游動和爬行狀態(tài)的網(wǎng)格參數(shù),N表示身體單元數(shù)目，k表示在一個循環(huán)中身體單元的擺動。k=1表示從頭到尾的完全的擺動，k=0則沒有擺動，參數(shù)k只計算了主動的自由度。,蠑螈機器人的不足和未來改進,目前的模型的一個主要局限是，它基本上只能進行平面的運動。身體單元在垂直面不能積極彎曲，因此只有非常有限的能力去越過障礙。,在實際應用中使用的機器人還需要在機器人的控制器的改進，例如，對環(huán)境自動適應步態(tài)及其參數(shù)。,目前該機器人能源消耗的測量能力是相當有限的。更精確的測量系統(tǒng)將會有利于不同步態(tài)能源效率的比較。,增加更多的感官能力：雙目攝像機系統(tǒng)，水檢測傳感器，慣性測量單元。繼續(xù)研究感官反饋在模式生成中的作用，能源消耗和成本模型（比較最優(yōu)的速度和效率），對蠑螈運動行為的豐富性研究（如向后行走，水上行走，劃的運動，抓的動作等）。,美國康涅狄格州桑佛德市（Stamford）一家公司近日研發(fā)了一種水陸兩棲的球形機器人，名為GuardBot。,它還能以每小時32公里的速度在最高30度角的斜坡上滾動。它重量僅為25千克，上面裝有攝像機，方便遠處的操控者觀察前方情形。球形的