第9章 仿生机器人

ching

2019/09/02 发布于 教育 分类

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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。
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 (Electronics Assembly: 电子集成单元; Hydraulic Power Unit: 水电单元;Free-Flooded Tail: 无血尾巴;Tail Exostructure: 尾巴外壳承载结构;Pressure Hull: 压力船身; Batteries: 电池;Main Ballast: 主压载物;Driven Link Assembly: 驱动连接集成单元)
23. 2 机械鱼机械结构设计 o 尾部机械结构设计 o 以两个自由度的尾部推进机构为例进行具体介绍: o 鱼体外形设计成纺锤体形,其纵轴与铅垂轴之比取4左右,并且体后 很快收敛成尾柄,这样的外形可以保持边界层的层流状态,同时不 致引起流动分离。尾部机构为平行四连杆机构串连的形式,这样, 尾鳍的运动就由两转动关节的运动合成,两个关节运动满足一定的 相位跟随关系,产生推力,推进鱼体运动。图中7为刚性的背鳍,设 计目的是为了增加鱼体的稳定程度,不产生推力作用。以上结构的 优点是: n n n n 自由度较少,运动控制系统简单,易于实现精确控制; 运动对称性好,能够较好模拟蜂科模式鱼类的运动形态; 机构简单,传动环节较少,传动线路短,效率高; 机构紧凑,易于水下密封,并能保证运动精度
24. 1.鱼体蒙皮 2.上托架 3.负 载腔 4.12.19. 鱼体填充物 5. 齿轮 6.尾柄关 节 7.背鳍 9.力 矩传感器 9.尾 鳍关节 10.尾鳍 11.尾鳍伺服舵 机 13.直流电机 14,光电码盘 15.电位计 16. 胸鳍伺服电机 17.电源 19.配重 20.密封环 21.胸 鳍 22.主体托架 机器鱼本体机构图
25. o 胸鳍机械结构设计 o 鲹科模式鱼类胸鳍的运动一般包含三个自由度,这样才能保证胸鳍产 生三维的力,机器鱼只需进行功能仿生,有以下几种方式实现上浮、 下潜运动: n 在鱼体内内置水箱和泵,通过改变自身重力来改变在水中的浮力; n 通过胸鳍的上下摆动产生升力; n 改变尾鳍矢量推进方向,如将尾鳍旋转90度,则原来的转弯运动转 化为上浮运动; n 改变鱼在水中的姿态,即改变机器鱼重心位置,使鱼体与水平面成 一定角度,在推进的同时实现了上浮运动。 o 为了实现机器鱼的上浮和下潜运动,设计具有单自由度的翼形胸鳍, 采用第二种形式,由伺服电机通过平行四连杆驱动胸鳍,通过改变击 水角度实现上浮、下潜运动。
26. 9.3.3仿生机器鱼的运动控制 o 机器鱼推进系统是一个二自由度的系统,运动规律可参数化表 示,我们将尾部两关节的运动抽象为以下数学模型:  A1 (t )  Ka A1max sin 2 ft  Ki (1  Ka ) A1max   A2 (t )  Ka A2 max sin(2 ft   )  Ki (1  Ka ) A2 max
27. 1 直线运动 2 转向运动 o 机器鱼具有三种基本的转弯模式:
28. 3 上浮、下潜运动 o 在机器鱼推进的同时,改变胸鳍的击水角度,通过胸鳍产生的升 力实现机器鱼的上升和下潜运动。
29. 9.3.4仿生机器鱼控制系统硬件设计 o 机器鱼的控制系统采用模块化设计思想,自下而上的设计思路进 行开发,以保证系统开发的可靠性。系统的各个功能模块分开设 计,通过模块间的接口来组合成整个系统。 o 机器鱼的控制系统设计主要包括以下内容: o (a) 通信模块:实现上位PC机与下位单片机间的异步串行通讯, 实现遥控信号的正确发送和接收; o (b) 电机驱动模块:设计电机驱动电路,利用单片机内部定时器/ 计数器产生PWM信号,控制机器鱼各关节电机的运动; o (c) 码盘计数电路:设计电机转速检测的正交编码信号检测、旋 转方向判断、计数电路; o (d) 信号采集模块:利用A/D转换器,采样机器鱼运动中的尾柄位 置信号,尾柄力矩信号。
30. 机器鱼控制系统总体框图
31. 9.4 四足仿生机器人 9.4.1 四足仿生机器人总体方案设计 1 样机设计概况 o 以西北工业大学设计的四足仿生机器人为样例进行讲解。样机采 用仿四足哺乳类动物—狗的生理结构,并对其关节进行了简化: 四足仿生机器人关节分布图
32. 2 机器人运动控制算法 o 目前机器人的运动控制算法可大致分为两类: o (1) 传统规划算法:传统规划算法先对机器人本体建模,运 动中确定目标位置和运行速度后需实时地再建立精确的环境 模型,在这基础上通过动力学及运动学方程的数值求解,获 得各关节在下一时刻的位置信息。该方法适合机器人在结构 化环境下的运动控制,具有算法成熟、控制精度高等优点。 其缺点是对移动机器人系统建模复杂、计算量大、实时性难 以保证,同时在非结构化环境中,很难对环境精确建模。
33. o (2) 仿生控制算法:仿生控制算法是模仿生物的运动机理来 实现对机器人的运动控制,常见的有仿生CPG算法、遗传算 法、基于行为的控制方法等。仿生CPG算法能够产生稳定的 相位关系,实现步态的协调,不需要对环境精确建模,具 有算法简单、易于计算机程序化、对地形的适应性强等特 点。目前该算法已应用于四足机器人Tekken和Biosbot,同 时在仿生机器鱼、机器蛇和双足机器人中已初见成效。遗 传算法是对生物进化机制的仿生,其特点是具有高度的并 行处理能力,鲁棒性强,易于实现全局优化,特别适用于 非线性复杂大系统的优化。基于行为控制的机器人运动由 一系列同时发生的简单动作或“能力”组成,通过自组织实 现系统的复杂行为,具有即时性和自组织的特点,在非结 构化环境中具有良好的适应性。
34. 3 CPG算法研究 o 动物常见的运动形式有走、跑、跳、泳和飞等,这些运动具有时间和空 间对称的周期性运动,被称作节律运动。生物学家普遍认为,动物的节 律行为是低级神经中枢的自激行为,由位于脊椎动物的脊髓或无脊椎动 物的胸腹神经节中的CPG控制,这种控制方式为机器人的运动提供了一 种新的控制方法,即基于CPG的机器人运动控制方法。单个CPG的输出 可作为机器人单关节控制的位置、力矩、速度等控制信号,由多个CPG 组成的CPG网络则可控制机器人的多关节协调运动。 o CPG网络具有如下特点:(a)自动产生稳定的节律信号。CPG网络可以在 缺乏高层命令和外部反馈的情况下自动产生稳定的节律信号,而反馈信 号或高层命令又可以对的行为进行调节。(b)多关节的协调。网络通过相 位锁定,可以产生多种稳定、自然的相位关系使多关节协调运动,从而 实现不同的运动模式。(c)CPG网络易于各类传感器的接入,传感器的信 号作为的外部输入,为机器人提供环境信息。(d)环境适应性强。(e)结 构简单。
35. o 要采用CPG控制算法,需先进行CPG建模。目前已有很多学者 通过各种方法来建立CPG模型,其中Matsuoka的神经元振荡器 模型得到了广泛的采用,该模型是日本九州工学院的松冈清利 通过对生物神经细胞的研究,在漏极积分器微分方程的基础上 改进的模型,以该模型为基础的CPG控制方法己经在多个四足 仿生机器人中得到了应用。 o 日本电气信息大学的Kimura在Matsuoka神经元振荡器模型的基 础上采用两个神经元(对应动物的伸肌和屈肌控制神经元)相互 抑制构成振荡器,两个神经元的输出之差作为整个振荡器的输 出。 Kimura将这个模型应用于其研制的四足机器人Patrush和 Tekken,取得了良好的效果。 o CPG算法为多变量、强耦合、非线性算法。
36. 由多个CPG构成的CPG网 络有链状和网状两种结构, 由四个CPG单元构成的网状 CPG网络可用来控制四足机 器人的四个骸关节。四足动 物通常有四种步态行走、同 侧跑、对角跑和奔跑步态, 通过网络的相位锁定可以实 现这四种步态。 Kimura的CPG振荡器模型 四个CPG单元组成的网状CPG网络
37. 9.4.2 四足仿生机器人结构设计 该四足仿生机器人试验样机采 用仿四足动物狗的生理结构。 狗的每条腿由5段组成,共有5 个关节,每个关节有1~3个自 由度。狗腿的结构具有的冗余 自由度多,在现阶段四足机器 人要完全模仿这种结构几乎不 可能,只能通过合理的简化, 尽量让它接近这种结构。目前 研制的四足仿生机器人试验样 机每条腿具有三个关节,分别 是髓关节、膝肘关节和跺关节。 其中髓关节、膝肘关节为主动 关节,采用直流电机驱动跺关 节为被动关节,关节上装有弹 簧。
38. 机器人试验样机由躯干和4条腿组成,材质主要采用铝型材,部分要求强度高 的部件(如轴套)采用钢结构。机器人机械本体重量约为10Kg(含电机、减速机 构),控制系统重量约为1.5Kg。躯干主体是一根横梁,两端装有机架,用于 髓关节电机的固定。四条腿采用相同的结构,髓关节采用直流减速电机直接 驱动。为了尽量让每条腿上的惯量匹配,膝关节电机没有直接安装在膝关节 上,而是安装在机器人大腿的另一侧,距离骸关节9cm处,电机经齿轮减速 后通过皮带轮传动。跺 关节是一个被动关节, 没有用电机驱动,而是 通过扭簧连接。足底安 装有橡胶块,以减小地 面对机器人的冲击、提 高机器人的柔性。
39. 9.4.3 四足仿生机器人控制系统设计 o 控制系统由以下三大功能模块组成 n 机器人宏观规划、决策模块根据外部给定的目标任务, 借助各类传感器,确定机器人的行走路线 n 多关节协调控制模块将机器人的任务分解到各个关节, 通过多关节的协调运动来完成具体的行走任务 n 单关节运动控制模块通过对机器人驱动器的伺服控制, 驱动关节完成运动。 o 控制系统共分为三层导航、路径规划层,关节运动规 划层和运动执行层。
40. 四足仿真机器人分层分布式控制系统框图