两栖仿生机器人.

两栖仿生机器人内容简介两栖机器人的研究背景两栖仿生机器人分类蝾螈机器人原理两栖机器人设计要点两栖动物作为最原始的陆生脊椎动物,是脊椎动物进化史上由水生到陆生的过渡类型,既有从鱼类祖先继承下来的适应水生生活的性状,又有适应陆地生活的新性状.在地球上,除了格陵兰岛以外,其它任何地区都有两栖动物,因此具有很强的环境适应能力。受两栖类动物的启发,人们对既能适应陆地和近海滩涂的多变地形,又能适应复杂水环境的两栖机器人。自然界中具有良好两栖适应性的蟹、龟、蛙、鳄鱼、企鹅、蝾螈等动物为两栖机器人设计提供了生物原型。根据运动方式不同,目前的两栖机器人大致可以分为两类腿式两栖机器人蛇形两栖机器人1998年至今,美国东北大学海洋科学中心基于龙虾和小龙虾的神经控制研究成果相继开发了3代机器龙虾潜在应用是在有海浪和海流的浅水区域进行自主排雷作业和侦探任务.机器龙虾采用8条三自由度的腿推进,每条腿采用以镍钛诺合金为材料的人工肌肉为驱动器,并采用神经元电路的控制器来实现机器龙虾的各种行为。龙虾作为一种在海底生活了数百万年的生物,已经进化出了一套完美的系统来进行感知、搜索、运动控制和湍流处理.布鲁克林大学的神经生物学家针对龙虾在海洋湍流环境下具有锐的嗅觉功能这一特点构建了自主水下机器人:探索龙虾的嗅觉跟踪机理及应用.英国巴斯大学开发了一种酷似螃蟹的原型机器人在水下勘测探索任务中将表现十分出色。对螃蟹爬行姿态、步态和爪子爬行跨度进行研究，通过改变步幅长度能够改变行走速度，就像野生螃蟹一样灵活自如。这款螃蟹机器人基于螃蟹的身体结构特征设计，行走时与螃蟹十分相似。水雷对于海军来讲无疑是一种巨大的威胁.由于浅水区水雷数量大、传统扫雷车无法作业、乱流和泡沫影响探测等原因,水雷探测在这种区域变得更加困难.蛇的典型运动方式2)伸缩运动身体收缩成S形,前部前伸,后部收缩,循环向前运动,类似手风琴的收缩与伸张当运动空间狭小或者地面摩擦系数不满足蜿蜒运动要求时采用伸缩运动,但运动效率低;1)蜿蜒运动借助身体侧面接触凸凹不平的地面所产生的力前进,身体各部分形成相似的S形运动轨迹,是最普通、最高效的一种运动方式。3）侧向移动从头部开始,身体部分顺次接地、抬起,完成前进运动,身体和地面只有很少的接触点.在沙地环境中运行时,滑动摩擦阻力小,因而运动效率高,是一种很好的适应沙漠环境的运动形式。4)直线运动靠腹部和地面的摩擦力进行驱动,部分点与点之间有相对运动,适于笨重的蛇类运动.东京工业大学研制了一种两栖蛇形机器人ACM-R5,它不仅能在陆地爬行,还能在水中游动。它由一系列关节组成,每个关节有两个自由度,为了使关节防水,每个关节都由伸缩膜覆盖,关节连接处用O型圈密封,ACM-R5采用模块化设计,所有关节具有相同的结构,并通过CAN总线通信,这种模块化的设计不仅节约了设计和加工成本,而且当有关节出现故障时,只需用另一个关节替换故障关节即可,大大方便了机器人的维护.到目前为止,ACM-R5的每个关节安装了6个采用了特殊设计的推进机构,称之为鳍,兼有被动轮和桨的作用,机器蛇在地面进行侧面波状运动时,机器蛇和地面的摩擦系数要有方向性,即运动路线切线方向的摩擦系数要小于垂直方向的摩擦系数,采用被动轮可满足机器蛇对于摩擦系数的要求,实现蜿蜒运动;另一方面,水蛇之所以能在水中游动,也是由于轴向和纵向水阻力存在差异,虽然ACM-R5的细长体设计本身能满足水阻力差异,但加上桨之后可以增大阻力差,提高游动效率.中国科学院沈阳自动化研究所机器人学国家重点实验室，研发一种新型水陆两栖蛇形机器人。该机器人由9个具有密封设计的万向运动单元组成，保证了样机在陆地和水中均能灵活运动。基于简化的蛇形曲线得到水陆两栖蛇形机器人的基本二维运动步态即蜿蜒运动。对两个垂直平面上，即水平面和竖直面上基本步态进行复合，由基于启发式思想的三维步态生成方法，得到包括侧向蜿蜒等运动的水陆两栖蛇形机器人的多种陆地步态和水下步态，其中S形翻滚运动和螺旋翻滚运动为蛇形机器人的两种新型步态。腿式和蛇形机器人各有其优缺点:231实际环境适应能力：蛇形机器人实际环境中的泥泞、荒草、树枝等不确定因素可能使被动轮的作用降低,甚至失效,严重影其运动能力.腿式两栖机器人比蛇形两栖机器人具有更好的实际环境适应能力.1)两栖运动能力：传统的腿式机器人必须改进腿部机构的机械设计和运动方式;蛇形两栖机器人每个关节至少应有两个自由度,这就增加了物理实现上的难度.应用范围和维护：当腿式机器人内部出现故障时,往往需要整体拆装来查找故障原因,不利于维护,蛇形两栖机器人由于其特有的细长体结构,可以在狭小空间内自由活动,且采用模块化设计，便于维护设计两栖机器人要解决的问题welcometousethesePowerPointtemplates,NewContentdesign,10yearsexperience1)水陆两栖复合推进系统建模.生物体在亿万年的进化历程中已经获得了精细的肌体结构和巧妙的神经控制来与环境相适应,两栖机器人要具有像两栖动物一样的灵活性和适应性,那么其运动学和动力学模型必定与常规机器人有较大差别。系统建模时,应将仿生原型的形态参数和运动参数与实际机电系统的物理约束相结合,在满足实际应用需求的基础上尽量简化推进模型,实现机构的可控性。两栖机器人未来要解决的问题welcometousethesePowerPointtemplates,NewContentdesign,10yearsexperience2)两栖复合推进机构设计与实现.机器人在陆地和水中的推进方式有很多种,其运动原理各不相同,且各具优缺点,如轮式推进结构简单、控制方便,但地形适应能力差;腿式行走虽有较好的地形适应性,结构和控制却相对复杂;拍动方式在水中效率高,但不能应用于陆地移动.考虑到机器人空间大小、运动控制的复杂程度以及稳定性等因素,在设计两栖机器人推进机构时,应尽量避免在水陆环境中分别使用两套不同的推进机构,而应该采用适用于水、陆两种环境的复合推进机构,通过采用复合机构的不同运动形式和控制方法实现水中和陆地推进.两栖机器人未来要解决的问题3)两栖复合推进机构的运动控制与优化.两栖动物之所以具有卓越的运动能力,不仅在于它们具有灵巧的身体结构,更重要的是其能够根据周边环境、自身状态以及运动要求等,产生各种运动模态下最优的控制参数,使各个身体机构完美地协调和配合,因此,必须在两栖机器人系统模型的基础上,探索有效且容易实现的运动控制和优化方法,如能产生节律运动的CPG等方法,实现两栖机器人直行推进、上升下潜、转弯、避障等运动模态的控制,并通过在线参数调整克服两栖环境诸多干扰和不确定因素等对机器人运动的不利影响.两栖机器人未来要解决的问题welcometousethesePowerPointtemplates,NewContentdesign,10yearsexperience4)水陆运动模式自主切换机制.：两栖机器人活动时,要求其运动模式频繁切换.当环境变化时,步态要在一瞬间完全变化,而且要不停地适应新的环境.当采用复合推进机构时,步态的变化意味着从一组控制参数切换到另一组参数,但是如果直接切换控制参数,有可能引起机器人运动机构的剧烈振荡,破坏机器人的稳定性,因此,要有中间控制参数,保证步态切换平稳进行,机器人从某一运动模态快速、平滑地切换到另一运动模态.但是,由于步态切换时运动机构所处的状态并不确定,中间参数不能预先设定,因此要求机器人的控制方法能在线自动产生中间参数.两栖机器人未来要解决的问题welcometousethesePowerPointtemplates,NewContentdesign,10yearsexperience5)信息感知与融合.两栖动物能在水陆环境自由地活动,一定程度上在于其具有丰富的感官来感知外界环境及自身信息,并将多种信息进行融合,对应采取的运动模态做出相应的判断和决策,对运动参数做出调整.同样,为了实现两栖机器人自主或半自主控制,机器人必须具备一些基本的功能,如温度监测、障碍物探测、水中深度测量;为了进一步实现智能控制,还应具有速度、倾角、位置、障碍物距离等信息的探测功能。两栖机器人未来要解决的问题welcometousethesePowerPointtemplates,NewContentdesign,10yearsexperience6)原型系统设计与开发.设计两栖机器人,要解决防水问题,目前,两栖和水下机器人采用的防水方式主要有两种:机构密封和包裹密封.设计两栖机器人原型系统时,应尽量采用机构密封的方式,或以机构密封为主。两栖机器人活动范围广,运动模态多,所需的能量消耗也很大，电池容量应该既能充分满足运动需求,又不大幅增加能耗负担和机械设计难度。两栖机器人在水下活动时通过电缆和水面中继通讯,中继通过无线方式和控制中心通讯，水下通信技术有待突破。蝾螈机器人瑞士洛桑联邦理工学院和波尔多大学的研究人员开发了既可在陆地爬行又可在水中游弋的两栖机器人“蝾螈”Ⅱ。全长约0.9米，由9节黑黄相间的塑料组成，“蝾螈”将机械、生物进化和神经生物学相结合，集游泳、爬行和走路的功能于一身。作为两栖类动物，蝾螈非常类似于地球上第一个陆地栖息的脊椎动物。研究人员首先采用电脑模拟像七鳃鳗这样的动物的脊锥，然后给其肢翼加上行走功能。之后，根据蝾螈的身体构造仿制出一根长长的脊锥，并在机器人上安置人工神经元，这些人工神经元完全模拟脊椎动物的脊锥神经元，可对来回移动起关键作用。蝾螈机器人的机械结构尺寸：A=9.5cm,B=4.7cm,C=5.8cm。为了提高推力和游动速度。增加了一个被动的，由塑料制成的尾鳍，长度为25厘米。相比一代四肢可以向后折叠。主体元件是完全独立的，每个人都有自己的电源，电机，电机控制器和变速箱，并且是单独的防水而不需要外部包络。所有身体单元的旋转轴线对齐，这意味着机器人只能使横向的摆动。但是在连接处可以做一些垂直弯曲。四肢的设计来源于真实的蝾螈，肢体的脚下是一个橡胶球，有良好的摩擦性能，适用于各种表面。肢体的内部侧，有一个磁体。当肢体被向后折叠，该磁体由另一个磁体刚性地固定在本体的侧面。其结果是在游泳时四肢处于折叠位置，两者之间的力足够高，以保持肢体在折叠位置。只要肢开始转动，在行走期间两者之间的距离增加，它们的相互作用会减小。四肢单元有3个关节，有两个可以旋转，每个单元有三个自由度，于是就有三个电机四肢的状态，状态1：游泳阶段或肢体的摆动阶段。状态2：初步行走状态。状态3：重力展开肢体。状态5：爬行开始阶段。状态7：摆动的开始或结束。蝾螈机器人的控制蝾螈机器人是由非线性耦合振荡器网络（CPG）驱动。图为CPG的网络拓扑结构和游泳行走每个振荡器的输出行为。身体关节应用单一链的双边耦合振荡器。每个肢体都有单一的振荡器。肢体振荡器是通过双边耦合相互关联的，一对前肢和后肢是局部连接到脊椎的相应的振荡器。1振荡器是一个驱动头，2–5振荡器带动躯干，6–8尾，和9–12机器人的四肢。每个振荡器都是振幅控制的相位振荡器。是状态变量表示的相位和振荡器的振幅确定其固有频率和幅度是正常数，振荡器间的离合器由决定，相位偏差代表振荡器有一个X位移后的输出量，该值用来控制机器人。每个输出量分别控制相应的身体单元和四肢，作为设定点发送给每个电动机的PD控制器，表示肢体在爬行开始和结束时转过的角度。ii和rθiiRv和iijixLGTG和游动和爬行状态的网格参数,N表示身体单元数目，k表示在一个循环中身体单元的摆动。k=1表示从头到尾的完全的摆动，k=0则没有摆动，参数k只计算了主动的自由度。蝾螈机器人的不足和未来改进目前的模型的一个主要局限是，它基本上只能进行平面的运动。身体单元在垂直面不能积极弯曲，因此只有非常有限的能力去越过障碍。在实际应用中使用的机器人还需要在机器人的控制器的改进，例如，对环境自动适应步态及其参数。目前该机器人能源消耗的测量能力是相当有限的。更精确的测量系统将会有利于不同步态能源效率的比较。增加更多的感官能力：双目摄像机系统，水检测传感器，惯性测量