仿生機器人技術(shù)

1、機器人引論仿生機器人仿生機器人1 仿生機器人的特點2 仿生機器人的研究概述3 仿生機器魚4 四足仿生機器人 仿生機器人的特點仿生機器人的特點仿生機器人是近十幾年來出現(xiàn)的新型機器人。它的思想來源于仿生學(xué)，其目的是研制出具有動物某些特征的機器人。仿生機器人是仿生學(xué)的先進技術(shù)與機器人領(lǐng)域的各種應(yīng)用的最佳結(jié)合。仿生機器人是機器人發(fā)展的最高階段，它既是機器人研究的最初目的，也是機器人發(fā)展的最終目標之一。機器人分為第零代原始機器人，第一代示教(工業(yè))機器人，第二代感知(遙控) 機器人，第三代智能機器人和第四代仿生機器人。2 仿生機器人的研究慨述仿生機器人的研究慨述2.1 2.1 研究現(xiàn)狀研究現(xiàn)狀1 1 飛

2、行機器人飛行機器人飛行機器人即具有自主導(dǎo)航能力的無人駕駛飛行器。其飛行原理分為：固定翼飛行、旋翼飛行和撲翼飛行。固定翼技術(shù)已經(jīng)成熟，但其翼展在200mm以下時不足以產(chǎn)生足夠的升力。目前國內(nèi)外廣泛關(guān)注的微型飛行器側(cè)重于撲翼機的研究。它模仿鳥類或昆蟲的撲翼飛行原理，故被稱為“人工昆蟲”。目前對飛行運動進行仿生研究的國家主要是美國，劍橋大學(xué)和多倫多大學(xué)也在開展相關(guān)方面的研究工作。圖2是美國加州大學(xué)伯克利分校的研究小組用了4年的時間，基于仿生學(xué)原理制造出的世界上第一只能飛翔的“機器蒼蠅”。機械蒼蠅2 2 陸地仿生機器人陸地仿生機器人機械蜘蛛：美國宇航局(NASA)噴氣推進實驗室于2002年12月研制成

3、功的機器蜘蛛Spider-pot，裝有一對可以用來探測障礙的天線，且擁有異常靈活的腿。它們能跨越障礙，攀登巖石，探訪靠輪子滾動前進的機器人無法抵達的區(qū)域。壁虎機器人：目前世界上關(guān)于仿壁虎機器人的研制還處在初步階段，真正實現(xiàn)類似壁虎的全空間無障礙運動的機器人還需要時間。機械蜘蛛壁虎機器人：加州大學(xué)伯克利分校Robert Full等人研制的能在干燥環(huán)境下實現(xiàn)壁面爬行的仿壁虎機器人的樣機3 3 水下仿生機器人水下仿生機器人水下機器人又稱為水下無人潛器，分為遙控、半自治及自治型。水下機器人是典型的軍民兩用技術(shù)，不僅可用于海上資源的勘探和開發(fā)，而且在海戰(zhàn)中也有不可替代的作用。魚類的高效、快速、機動靈活的

4、水下推進方式吸引了國內(nèi)外的科學(xué)家們從事仿生機器魚的研究。美國、日本等國的科學(xué)家們研制出了各種類型的仿生機器魚實驗平臺和原理樣機。國內(nèi)的中科院自動化研究所和北京航空航天大學(xué)等單位已研制了機器魚樣機。基于鲹科模型的“游龍”系列機械魚2.2 2.2 仿生機器人關(guān)鍵技術(shù)問題仿生機器人關(guān)鍵技術(shù)問題1 1 建模問題建模問題仿生機器人的運動具有高度的靈活性和適應(yīng)性，其一般都是冗余度或超冗余度機器人，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。運動學(xué)和動力學(xué)模型與常規(guī)機器人有很大差別，且復(fù)雜程度更大。2 2 控制優(yōu)化問題控制優(yōu)化問題機器人的自由度越多，機構(gòu)越復(fù)雜，必將導(dǎo)致控制系統(tǒng)的復(fù)雜化。復(fù)雜巨系統(tǒng)的實現(xiàn)不能全靠子系統(tǒng)的堆積，要做到“整體大于

5、組分之和”，同時要研究高效優(yōu)化的控制算法才能使系統(tǒng)具有實時處理能力。3 3 信息融合問題信息融合問題信息融合技術(shù)把分布在不同位置的多個同類或不同類的傳感器所提供的局部環(huán)境的不完整信息加以綜合，消除多傳感器信息之間可能存在的冗余和矛盾，從而提高系統(tǒng)決策、規(guī)劃、反應(yīng)的快速性和正確性。4 4 機構(gòu)設(shè)計問題機構(gòu)設(shè)計問題生物的形態(tài)經(jīng)過千百萬年的進化，其結(jié)構(gòu)特征極具合理性，而要用機械來完全仿制生物體幾乎是不可能的，只有在充分研究生物肌體結(jié)構(gòu)和運動特性的基礎(chǔ)上提取其精髓進行簡化，才能開發(fā)全方位關(guān)節(jié)機構(gòu)和簡單關(guān)節(jié)組成高靈活性的機器人機構(gòu)。5 5 微傳感和微驅(qū)動問題微傳感和微驅(qū)動問題微型仿生機器人的開發(fā)涉及到電

6、磁、機械、熱、光、化學(xué)、生物等多學(xué)科。對于微型仿生機器人的制造，需要解決一些工程上的問題。如動力源、驅(qū)動方式、傳感集成控制以及同外界的通訊等。2.3 2.3 仿生機器人發(fā)展趨勢仿生機器人發(fā)展趨勢特種仿生機器人特種仿生機器人微型化仿生機器人微型化仿生機器人仿形仿生機器人仿形仿生機器人生物仿生機器人生物仿生機器人3 仿生機器魚仿生機器魚3.13.1魚類推進理論魚類推進理論1 1 魚類形態(tài)描述魚類形態(tài)描述下圖給出了常用的描述魚體形態(tài)的術(shù)語。魚體通常為紡錘形體或扁平形流線體，可以極大的減小形體阻力。鰭對大多數(shù)魚類的游動能力起到?jīng)Q定性的作用，一般來講，尾鰭提供前向游動的主要動力，中間鰭起平衡作用，而對鰭

7、主要起到轉(zhuǎn)彎和平衡的作用。2 2 魚類游動方式分類魚類游動方式分類噴射式：烏賊、魷魚、水母等依照身體軀干的特殊構(gòu)造，它們由身體內(nèi)部的特殊部位向后擠壓水流產(chǎn)生后向推力，利用動量守恒原理推動身體前進。 BCF (Body and/or Caudal Fin)推進方式：這種推進方式也被稱作尾鰭擺動式。又可分為鰻行式(Anguilliform)，鱒行式(Carangiform)和鲉行式(Thunniform)。它們的顯著特點是主要利用魚的身體后半段和尾鰭協(xié)調(diào)擺動前進。MPF (Median and/or Paired Fin)推進方式：它主要是利用除了尾鰭之外的一些魚鰭劃動向前推進，如胸鰭、腹鰭、臀鰭

8、、背鰭等。這類魚較少，大多數(shù)的魚類只是利用這些鰭來保持平衡和控制轉(zhuǎn)向。BCF推進方式 (a)鰻行式 (b)鱒行式 (c) 鲉行式(c) 鲉行式：又稱鲹科結(jié)合新月形尾鰭模式，魚類有燦魚、鰭魚、馬林魚等，常有大展弦比的尾鰭，在快速運動中最為高效。海洋中游速最高的魚類大都采用這種游動方式。(a) 鰻行式：又稱身體波動式，如鰻魚、水蛇等，它們的游動猶如正弦波形的前進一樣，把身體當(dāng)作推進器，用從頭到尾波動身體來游動，其前進單位距離所需推力最小。(b) 鱒行式：又稱鰭科模式，如蹲魚、鮮魚等，是最常見的方式，在速度、加速度方面和可操控性上有最好的平衡。據(jù)統(tǒng)計，大約只有15%的魚類采用BCF推進方式以外的其他

9、方式推進。由于MPF推進方式速度慢、效率低，因此我們把研究的重點放在BCF推進方式中在速度、加速度和可操控性上有最好的平衡的鲹科模式。3 3 鲹鲹科類推進機理科類推進機理在有流速流場里的非流線型物體，會沿來流的方向在其后面形成一連串交錯而反向的尾渦，即卡門渦街。通過觀察，人們發(fā)現(xiàn)BCF推進方式中擺動尾鰭后同樣有尾渦串的存在，但和卡門渦街恰好相反，稱為反卡門渦街。反卡門渦街形成一種類似噴流的流動，這種噴流平行于魚體前進的方向，產(chǎn)生推力。魚類之所以能造成如此高效率的推進力量，是由于來自尾鰭整合背后渦流的方式。這些渦流的強度隨著尾鰭的力量而增加，但是它們的旋轉(zhuǎn)軸方向一直都是垂直于魚體前進的方向，也就

10、使形成有效推力的噴流平行于魚體前進的方向。一個擺動周期產(chǎn)生反卡門渦街的過程(a) 尾鰭先以擺動造成一個大渦流；(b) 迅速的頂端擺動造成一個相反方向的渦流；(c) 下擺之后的尾鰭使兩個渦流相遇；(d) 相供的兩個渦流形成一柱強力的向后噴流，并相互減弱其渦流強度。表示尾流反卡門渦街的參數(shù)是斯特勞哈爾數(shù)St（Strouhal Number )。對于BCF推進方式，斯特勞哈爾數(shù)定義為：/tfAASUUf4 4 鲹鲹科類模式魚體波模型建立及分析科類模式魚體波模型建立及分析根據(jù)對鲹科模式魚類游動的仿生研究及圖像分析，得到的魚體波特征為一波幅逐漸加大、由頭部至尾鰭傳播的行波。魚體波曲線可通過魚體波波幅包絡(luò)

11、線與正弦曲線的合成來進行數(shù)學(xué)描述：212( , )()sin()bodyyx tc xc xkxt鲹科模式魚類在推進游動過程中，身體長度上魚體波波數(shù) ，即魚體波波長 ( :魚體長)，魚體的前部剛度很大，幾乎保持剛性，身體波幅限制在身體的后1/3部分，并且在末端達到最大值。鲹科模式魚類在游動過程中通過尾鰭的運動產(chǎn)生超過90%的推進力，尾鰭的運動是研究的關(guān)鍵。尾鰭運動可視為平動運動和擺動運動的合成，魚體波使尾鰭產(chǎn)生平動運動，此運動主要產(chǎn)生擊水動作;尾鰭繞關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生擺動運動，此運動主要為尾鰭的擊水動作提供合適的攻角。基于以上分析，可將魚體的前部簡化為剛體，由后頸部的擺動運動代替魚體波產(chǎn)生尾鰭的平動

12、運動，這也有助于在身體的前部安裝驅(qū)動、控制系統(tǒng)以及檢測傳感器等;后頸部與尾鰭相連的部位簡化為一個旋轉(zhuǎn)的關(guān)節(jié)，尾鰭則簡化為剛性的平板。尾鰭在特定的旋轉(zhuǎn)和平動運動情況下產(chǎn)生最佳的推進性能。1k 1BLBL3.23.2仿生機器魚的設(shè)計仿生機器魚的設(shè)計機器魚是一個復(fù)雜的機器人系統(tǒng)，包括機械傳動和機電控制兩大部分，其中機械系統(tǒng)猶如整個系統(tǒng)的軀體，控制系統(tǒng)猶如整個系統(tǒng)的大腦和神經(jīng)中樞。因此，它必須具有運動靈活、傳動精密的機械本體，結(jié)構(gòu)合理、高效運作的控制系統(tǒng)，以及運算高速、工作可靠的硬件平臺。1 1 幾種典型機械魚機構(gòu)分析幾種典型機械魚機構(gòu)分析UPF-2001UPF-2001機構(gòu)分析機構(gòu)分析UPF-200

13、1尾部機構(gòu)PF-600PF-600機構(gòu)分析機構(gòu)分析PF-600尾部機構(gòu) VCUUVVCUUV機構(gòu)分析機構(gòu)分析VCUUV內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖（Electronics Assembly: 電子集成單元； Hydraulic Power Unit: 水電單元；Free-Flooded Tail: 無血尾巴；Tail Exostructure: 尾巴外殼承載結(jié)構(gòu)；Pressure Hull: 壓力船身; Batteries: 電池；Main Ballast: 主壓載物；Driven Link Assembly: 驅(qū)動連接集成單元）2 2 機械魚機械結(jié)構(gòu)設(shè)計機械魚機械結(jié)構(gòu)設(shè)計尾部機械結(jié)構(gòu)設(shè)計尾部機械結(jié)構(gòu)設(shè)計以兩個

14、自由度的尾部推進機構(gòu)為例進行具體介紹：魚體外形設(shè)計成紡錘體形，其縱軸與鉛垂軸之比取4左右，并且體后很快收斂成尾柄，這樣的外形可以保持邊界層的層流狀態(tài)，同時不致引起流動分離。尾部機構(gòu)為平行四連桿機構(gòu)串連的形式，這樣，尾鰭的運動就由兩轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)的運動合成，兩個關(guān)節(jié)運動滿足一定的相位跟隨關(guān)系，產(chǎn)生推力，推進魚體運動。圖中7為剛性的背鰭，設(shè)計目的是為了增加魚體的穩(wěn)定程度，不產(chǎn)生推力作用。以上結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是：自由度較少，運動控制系統(tǒng)簡單，易于實現(xiàn)精確控制；運動對稱性好，能夠較好模擬蜂科模式魚類的運動形態(tài)；機構(gòu)簡單，傳動環(huán)節(jié)較少，傳動線路短，效率高；機構(gòu)緊湊，易于水下密封，并能保證運動精度1.魚體蒙皮 2.上

15、托架 3.負載腔 4.12.1魚體填充物 5.齒輪 6.尾柄關(guān)節(jié) 7.背鰭 力矩傳感器 9.尾鰭關(guān)節(jié) 10.尾鰭 11.尾鰭伺服舵機 13.直流電機 14，光電碼盤15.電位計 16.胸鰭伺服電機 17.電源 19.配重 20.密封環(huán) 21.胸鰭 22.主體托架 機器魚本體機構(gòu)圖胸鰭機械結(jié)構(gòu)設(shè)計胸鰭機械結(jié)構(gòu)設(shè)計鲹科模式魚類胸鰭的運動一般包含三個自由度，這樣才能保證胸鰭產(chǎn)生三維的力，機器魚只需進行功能仿生，有以下幾種方式實現(xiàn)上浮、下潛運動:在魚體內(nèi)內(nèi)置水箱和泵，通過改變自身重力來改變在水中的浮力；通過胸鰭的上下擺動產(chǎn)生升力；改變尾鰭矢量推進方向，如將尾鰭旋轉(zhuǎn)90度，則原來的轉(zhuǎn)彎運動轉(zhuǎn)化為上浮運動

16、；改變魚在水中的姿態(tài)，即改變機器魚重心位置，使魚體與水平面成一定角度，在推進的同時實現(xiàn)了上浮運動。為了實現(xiàn)機器魚的上浮和下潛運動，設(shè)計具有單自由度的翼形胸鰭，采用第二種形式，由伺服電機通過平行四連桿驅(qū)動胸鰭，通過改變擊水角度實現(xiàn)上浮、下潛運動。3.33.3仿生機器魚的運動控制仿生機器魚的運動控制機器魚推進系統(tǒng)是一個二自由度的系統(tǒng)，運動規(guī)律可參數(shù)化表示，我們將尾部兩關(guān)節(jié)的運動抽象為以下數(shù)學(xué)模型：11max1max22max2max( )sin2(1)( )sin(2)(1)aiaaiaA tK AftKKAA tK AftKKA1 1 直線運動直線運動2 2 轉(zhuǎn)向運動轉(zhuǎn)向運動機器魚具有三種基本的

17、轉(zhuǎn)彎模式：3 3 上浮、下潛運動上浮、下潛運動在機器魚推進的同時，改變胸鰭的擊水角度，通過胸鰭產(chǎn)生的升力實現(xiàn)機器魚的上升和下潛運動。3.43.4仿生機器魚控制系統(tǒng)硬件設(shè)計仿生機器魚控制系統(tǒng)硬件設(shè)計機器魚的控制系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計思想，自下而上的設(shè)計思路進行開發(fā)，以保證系統(tǒng)開發(fā)的可靠性。系統(tǒng)的各個功能模塊分開設(shè)計，通過模塊間的接口來組合成整個系統(tǒng)。機器魚的控制系統(tǒng)設(shè)計主要包括以下內(nèi)容：(a) 通信模塊：實現(xiàn)上位PC機與下位單片機間的異步串行通訊，實現(xiàn)遙控信號的正確發(fā)送和接收；(b) 電機驅(qū)動模塊：設(shè)計電機驅(qū)動電路，利用單片機內(nèi)部定時器/計數(shù)器產(chǎn)生PWM信號，控制機器魚各關(guān)節(jié)電機的運動；(c) 碼盤

18、計數(shù)電路：設(shè)計電機轉(zhuǎn)速檢測的正交編碼信號檢測、旋轉(zhuǎn)方向判斷、計數(shù)電路；(d) 信號采集模塊：利用A/D轉(zhuǎn)換器，采樣機器魚運動中的尾柄位置信號，尾柄力矩信號。機器魚控制系統(tǒng)總體框圖4 四足仿生機器人四足仿生機器人4.1 4.1 四足仿生機器人總體方案設(shè)計四足仿生機器人總體方案設(shè)計1 1 樣機設(shè)計概況樣機設(shè)計概況以西北工業(yè)大學(xué)設(shè)計的四足仿生機器人為樣例進行講解。樣機采用仿四足哺乳類動物狗的生理結(jié)構(gòu)，并對其關(guān)節(jié)進行了簡化：四足仿生機器人關(guān)節(jié)分布圖2 2 機器人運動控制算法機器人運動控制算法目前機器人的運動控制算法可大致分為兩類：(1) 傳統(tǒng)規(guī)劃算法：傳統(tǒng)規(guī)劃算法先對機器人本體建模，運動中確定目標位置

19、和運行速度后需實時地再建立精確的環(huán)境模型，在這基礎(chǔ)上通過動力學(xué)及運動學(xué)方程的數(shù)值求解，獲得各關(guān)節(jié)在下一時刻的位置信息。該方法適合機器人在結(jié)構(gòu)化環(huán)境下的運動控制，具有算法成熟、控制精度高等優(yōu)點。其缺點是對移動機器人系統(tǒng)建模復(fù)雜、計算量大、實時性難以保證，同時在非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中，很難對環(huán)境精確建模。(2) 仿生控制算法：仿生控制算法是模仿生物的運動機理來實現(xiàn)對機器人的運動控制，常見的有仿生CPG算法、遺傳算法、基于行為的控制方法等。仿生CPG算法能夠產(chǎn)生穩(wěn)定的相位關(guān)系，實現(xiàn)步態(tài)的協(xié)調(diào)，不需要對環(huán)境精確建模，具有算法簡單、易于計算機程序化、對地形的適應(yīng)性強等特點。目前該算法已應(yīng)用于四足機器人Tekke

20、n和Biosbot，同時在仿生機器魚、機器蛇和雙足機器人中已初見成效。遺傳算法是對生物進化機制的仿生，其特點是具有高度的并行處理能力，魯棒性強，易于實現(xiàn)全局優(yōu)化，特別適用于非線性復(fù)雜大系統(tǒng)的優(yōu)化?；谛袨榭刂频臋C器人運動由一系列同時發(fā)生的簡單動作或“能力”組成，通過自組織實現(xiàn)系統(tǒng)的復(fù)雜行為，具有即時性和自組織的特點，在非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中具有良好的適應(yīng)性。3 CPG3 CPG算法研究算法研究動物常見的運動形式有走、跑、跳、泳和飛等，這些運動具有時間和空間對稱的周期性運動，被稱作節(jié)律運動。生物學(xué)家普遍認為，動物的節(jié)律行為是低級神經(jīng)中樞的自激行為，由位于脊椎動物的脊髓或無脊椎動物的胸腹神經(jīng)節(jié)中的CPG控

21、制，這種控制方式為機器人的運動提供了一種新的控制方法，即基于CPG的機器人運動控制方法。單個CPG的輸出可作為機器人單關(guān)節(jié)控制的位置、力矩、速度等控制信號，由多個CPG組成的CPG網(wǎng)絡(luò)則可控制機器人的多關(guān)節(jié)協(xié)調(diào)運動。o CPG網(wǎng)絡(luò)具有如下特點：(a)自動產(chǎn)生穩(wěn)定的節(jié)律信號。CPG網(wǎng)絡(luò)可以在缺乏高層命令和外部反饋的情況下自動產(chǎn)生穩(wěn)定的節(jié)律信號，而反饋信號或高層命令又可以對的行為進行調(diào)節(jié)。(b)多關(guān)節(jié)的協(xié)調(diào)。網(wǎng)絡(luò)通過相位鎖定，可以產(chǎn)生多種穩(wěn)定、自然的相位關(guān)系使多關(guān)節(jié)協(xié)調(diào)運動，從而實現(xiàn)不同的運動模式。(c)CPG網(wǎng)絡(luò)易于各類傳感器的接入，傳感器的信號作為的外部輸入，為機器人提供環(huán)境信息。(d)環(huán)境適

22、應(yīng)性強。(e)結(jié)構(gòu)簡單。要采用CPG控制算法，需先進行CPG建模。目前已有很多學(xué)者通過各種方法來建立CPG模型，其中Matsuoka的神經(jīng)元振蕩器模型得到了廣泛的采用，該模型是日本九州工學(xué)院的松岡清利通過對生物神經(jīng)細胞的研究，在漏極積分器微分方程的基礎(chǔ)上改進的模型，以該模型為基礎(chǔ)的CPG控制方法己經(jīng)在多個四足仿生機器人中得到了應(yīng)用。日本電氣信息大學(xué)的Kimura在Matsuoka神經(jīng)元振蕩器模型的基礎(chǔ)上采用兩個神經(jīng)元(對應(yīng)動物的伸肌和屈肌控制神經(jīng)元)相互抑制構(gòu)成振蕩器，兩個神經(jīng)元的輸出之差作為整個振蕩器的輸出。 Kimura將這個模型應(yīng)用于其研制的四足機器人Patrush和Tekken，取得了良好的效果。CPG算法為多變量、強耦合、非線性算法。Kimura的CPG振蕩器模型由多個CPG構(gòu)成的CPG網(wǎng)絡(luò)有鏈狀和網(wǎng)狀兩種結(jié)構(gòu)，由四個CPG單元構(gòu)成的網(wǎng)狀CPG網(wǎng)絡(luò)可用來控制四足機器人的四個骸關(guān)節(jié)。四足動物通常有四種步態(tài)行走、同側(cè)跑、對角跑和奔跑步態(tài)，通過網(wǎng)絡(luò)的相位鎖定可以