兩棲仿生機(jī)器人

兩棲仿生機(jī)器人,內(nèi)容簡介,兩棲機(jī)器人的研究背景,兩棲仿生機(jī)器人分類,蠑螈機(jī)器人原理,兩棲機(jī)器人設(shè)計要點(diǎn),兩棲動物作為最原始的陸生脊椎動物,是脊椎動物進(jìn)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(yīng)水生生活的性狀,又有適應(yīng)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(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力。受兩棲類動物的啟發(fā),人們對既能適應(yīng)陸地和近海灘涂的多變地形,又能適應(yīng)復(fù)雜水環(huán)境的兩棲機(jī)器人。自然界中具有良好兩棲適應(yīng)性的蟹、龜、蛙、鱷魚、企鵝、蠑螈等動物為兩棲機(jī)器人設(shè)計提供了生物原型。,根據(jù)運(yùn)動方式不同,目前的兩棲機(jī)器人大致可以分為兩類,腿式兩棲機(jī)器人,蛇形兩棲機(jī)器人,1998年至今,美國東北大學(xué)海洋科學(xué)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(jī)器龍蝦潛在應(yīng)用是在有海浪和海流的淺水區(qū)域進(jìn)行自主排雷作業(yè)和偵探任務(wù).機(jī)器龍蝦采用8條三自由度的腿推進(jìn),每條腿采用以鎳鈦諾合金為材料的人工肌肉為驅(qū)動器,并采用神經(jīng)元電路的控制器來實(shí)現(xiàn)機(jī)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(jìn)化出了一套完美的系統(tǒng)來進(jìn)行感知、搜索、運(yùn)動控制和湍流處理.布魯克林大學(xué)的神經(jīng)生物學(xué)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(diǎn)構(gòu)建了自主水下機(jī)器人:探索龍蝦的嗅覺跟蹤機(jī)理及應(yīng)用.,英國巴斯大學(xué)開發(fā)了一種酷似螃蟹的原型機(jī)器人在水下勘測探索任務(wù)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(jìn)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(jī)器人基于螃蟹的身體結(jié)構(gòu)特征設(shè)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(yùn)動方式,2)伸縮運(yùn)動身體收縮成S形,前部前伸,后部收縮,循環(huán)向前運(yùn)動,類似手風(fēng)琴的收縮與伸張當(dāng)運(yùn)動空間狹小或者地面摩擦系數(shù)不滿足蜿蜒運(yùn)動要求時采用伸縮運(yùn)動,但運(yùn)動效率低;,1)蜿蜒運(yùn)動借助身體側(cè)面接觸凸凹不平的地面所產(chǎn)生的力前進(jìn),身體各部分形成相似的S形運(yùn)動軌跡,是最普通、最高效的一種運(yùn)動方式。,3）側(cè)向移動從頭部開始,身體部分順次接地、抬起,完成前進(jìn)運(yùn)動,身體和地面只有很少的接觸點(diǎn).在沙地環(huán)境中運(yùn)行時,滑動摩擦阻力小,因而運(yùn)動效率高,是一種很好的適應(yīng)沙漠環(huán)境的運(yùn)動形式。,4)直線運(yùn)動靠腹部和地面的摩擦力進(jìn)行驅(qū)動,部分點(diǎn)與點(diǎn)之間有相對運(yùn)動,適于笨重的蛇類運(yùn)動.,東京工業(yè)大學(xué)研制了一種兩棲蛇形機(jī)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(guān)節(jié)組成,每個關(guān)節(jié)有兩個自由度,為了使關(guān)節(jié)防水,每個關(guān)節(jié)都由伸縮膜覆蓋,關(guān)節(jié)連接處用O型圈密封,ACM-R5采用模塊化設(shè)計,所有關(guān)節(jié)具有相同的結(jié)構(gòu),并通過CAN總線通信,這種模塊化的設(shè)計不僅節(jié)約了設(shè)計和加工成本,而且當(dāng)有關(guān)節(jié)出現(xiàn)故障時,只需用另一個關(guān)節(jié)替換故障關(guān)節(jié)即可,大大方便了機(jī)器人的維護(hù).到目前為止,ACM-R5的每個關(guān)節(jié)安裝了6個采用了特殊設(shè)計的推進(jìn)機(jī)構(gòu),稱之為鰭,兼有被動輪和槳的作用,機(jī)器蛇在地面進(jìn)行側(cè)面波狀運(yùn)動時,機(jī)器蛇和地面的摩擦系數(shù)要有方向性,即運(yùn)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(jī)器蛇對于摩擦系數(shù)的要求,實(shí)現(xiàn)蜿蜒運(yùn)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(xì)長體設(shè)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(xué)院沈陽自動化研究所機(jī)器人學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，研發(fā)一種新型水陸兩棲蛇形機(jī)器人。該機(jī)器人由9個具有密封設(shè)計的萬向運(yùn)動單元組成，保證了樣機(jī)在陸地和水中均能靈活運(yùn)動?；诤喕纳咝吻€得到水陸兩棲蛇形機(jī)器人的基本二維運(yùn)動步態(tài)即蜿蜒運(yùn)動。對兩個垂直平面上，即水平面和豎直面上基本步態(tài)進(jìn)行復(fù)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(cè)向蜿蜒等運(yùn)動的水陸兩棲蛇形機(jī)器人的多種陸地步態(tài)和水下步態(tài)，其中S形翻滾運(yùn)動和螺旋翻滾運(yùn)動為蛇形機(jī)器人的兩種新型步態(tài)。,腿式和蛇形機(jī)器人各有其優(yōu)缺點(diǎn):,2,3,1,實(shí)際環(huán)境適應(yīng)能力：蛇形機(jī)器人實(shí)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(yán)重影其運(yùn)動能力.腿式兩棲機(jī)器人比蛇形兩棲機(jī)器人具有更好的實(shí)際環(huán)境適應(yīng)能力.,1)兩棲運(yùn)動能力：傳統(tǒng)的腿式機(jī)器人必須改進(jìn)腿部機(jī)構(gòu)的機(jī)械設(shè)計和運(yùn)動方式;蛇形兩棲機(jī)器人每個關(guān)節(jié)至少應(yīng)有兩個自由度,這就增加了物理實(shí)現(xiàn)上的難度.,應(yīng)用范圍和維護(hù)：當(dāng)腿式機(jī)器人內(nèi)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(hù),蛇形兩棲機(jī)器人由于其特有的細(xì)長體結(jié)構(gòu),可以在狹小空間內(nèi)自由活動,且采用模塊化設(shè)計，便于維護(hù),設(shè)計兩棲機(jī)器人要解決的問題,welcometousethesePowerPointtemplates,NewContentdesign,10yearsexperience,1)水陸兩棲復(fù)合推進(jìn)系統(tǒng)建模.生物體在億萬年的進(jìn)化歷程中已經(jīng)獲得了精細(xì)的肌體結(jié)構(gòu)和巧妙的神經(jīng)控制來與環(huán)境相適應(yīng),兩棲機(jī)器人要具有像兩棲動物一樣的靈活性和適應(yīng)性,那么其運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)模型必定與常規(guī)機(jī)器人有較大差別。系統(tǒng)建模時,應(yīng)將仿生原型的形態(tài)參數(shù)和運(yùn)動參數(shù)與實(shí)際機(jī)電系統(tǒng)的物理約束相結(jié)合,在滿足實(shí)際應(yīng)用需求的基礎(chǔ)上盡量簡化推進(jìn)模型,實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的可控性。,兩棲機(jī)器人未來要解決的問題,welcometousethesePowerPointtemplates,NewContentdesign,10yearsexperience,2)兩棲復(fù)合推進(jìn)機(jī)構(gòu)設(shè)計與實(shí)現(xiàn).機(jī)器人在陸地和水中的推進(jìn)方式有很多種,其運(yùn)動原理各不相同,且各具優(yōu)缺點(diǎn),如輪式推進(jìn)結(jié)構(gòu)簡單、控制方便,但地形適應(yīng)能力差;腿式行走雖有較好的地形適應(yīng)性,結(jié)構(gòu)和控制卻相對復(fù)雜;拍動方式在水中效率高,但不能應(yīng)用于陸地移動.考慮到機(jī)器人空間大小、運(yùn)動控制的復(fù)雜程度以及穩(wěn)定性等因素,在設(shè)計兩棲機(jī)器人推進(jìn)機(jī)構(gòu)時,應(yīng)盡量避免在水陸環(huán)境中分別使用兩套不同的推進(jìn)機(jī)構(gòu),而應(yīng)該采用適用于水、陸兩種環(huán)境的復(fù)合推進(jìn)機(jī)構(gòu),通過采用復(fù)合機(jī)構(gòu)的不同運(yùn)動形式和控制方法實(shí)現(xiàn)水中和陸地推進(jìn).,兩棲機(jī)器人未來要解決的問題,3)兩棲復(fù)合推進(jìn)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動控制與優(yōu)化.兩棲動物之所以具有卓越的運(yùn)動能力,不僅在于它們具有靈巧的身體結(jié)構(gòu),更重要的是其能夠根據(jù)周邊環(huán)境、自身狀態(tài)以及運(yùn)動要求等,產(chǎn)生各種運(yùn)動模態(tài)下最優(yōu)的控制參數(shù),使各個身體機(jī)構(gòu)完美地協(xié)調(diào)和配合,因此,必須在兩棲機(jī)器人系統(tǒng)模型的基礎(chǔ)上,探索有效且容易實(shí)現(xiàn)的運(yùn)動控制和優(yōu)化方法,如能產(chǎn)生節(jié)律運(yùn)動的CPG等方法,實(shí)現(xiàn)兩棲機(jī)器人直行推進(jìn)、上升下潛、轉(zhuǎn)彎、避障等運(yùn)動模態(tài)的控制,并通過在線參數(shù)調(diào)整克服兩棲環(huán)境諸多干擾和不確定因素等對機(jī)器人運(yùn)動的不利影響.,兩棲機(jī)器人未來要解決的問題,welcometousethesePowerPointtemplates,NewContentdesign,10yearsexperience,4)水陸運(yùn)動模式自主切換機(jī)制.：兩棲機(jī)器人活動時,要求其運(yùn)動模式頻繁切換.當(dāng)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(yīng)新的環(huán)境.當(dāng)采用復(fù)合推進(jìn)機(jī)構(gòu)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(jī)器人運(yùn)動機(jī)構(gòu)的劇烈振蕩,破壞機(jī)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(jìn)行,機(jī)器人從某一運(yùn)動模態(tài)快速、平滑地切換到另一運(yùn)動模態(tài).但是,由于步態(tài)切換時運(yùn)動機(jī)構(gòu)所處的狀態(tài)并不確定,中間參數(shù)不能預(yù)先設(shè)定,因此要求機(jī)器人的控制方法能在線自動產(chǎn)生中間參數(shù).,兩棲機(jī)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(jìn)行融合,對應(yīng)采取的運(yùn)動模態(tài)做出相應(yīng)的判斷和決策,對運(yùn)動參數(shù)做出調(diào)整.同樣,為了實(shí)現(xiàn)兩棲機(jī)器人自主或半自主控制,機(jī)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(jìn)一步實(shí)現(xiàn)智能控制,還應(yīng)具有速度、傾角、位置、障礙物距離等信息的探測功能。,兩棲機(jī)器人未來要解決的問題,welcometousethesePowerPointtemplates,NewContentdesign,10yearsexperience,6)原型系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā).設(shè)計兩棲機(jī)器人,要解決防水問題,目前,兩棲和水下機(jī)器人采用的防水方式主要有兩種:機(jī)構(gòu)密封和包裹密封.設(shè)計兩棲機(jī)器人原型系統(tǒng)時,應(yīng)盡量采用機(jī)構(gòu)密封的方式,或以機(jī)構(gòu)密封為主。兩棲機(jī)器人活動范圍廣,運(yùn)動模態(tài)多,所需的能量消耗也很大，電池容量應(yīng)該既能充分滿足運(yùn)動需求,又不大幅增加能耗負(fù)擔(dān)和機(jī)械設(shè)計難度。兩棲機(jī)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(shù)有待突破。,蠑螈機(jī)器人瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院和波爾多大學(xué)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(jī)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(jī)械、生物進(jìn)化和神經(jīng)生物學(xué)相結(jié)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(gòu)造仿制出一根長長的脊錐，并在機(jī)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(guān)鍵作用。,蠑螈機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)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(dú)立的，每個人都有自己的電源，電機(jī)，電機(jī)控制器和變速箱，并且是單獨(dú)的防水而不需要外部包絡(luò)。所有身體單元的旋轉(zhuǎn)軸線對齊，這意味著機(jī)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(shè)計來源于真實(shí)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(nèi)部側(cè)，有一個磁體。當(dāng)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(cè)面。其結(jié)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(zhuǎn)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(guān)節(jié)，有兩個可以旋轉(zhuǎn)，每個單元有三個自由度，于是就有三個電機(jī)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(jié)束。,蠑螈機(jī)器人的控制蠑螈機(jī)器人是由非線性耦合振蕩器網(wǎng)絡(luò)（CPG）驅(qū)動。圖為CPG的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和游泳行走每個振蕩器的輸出行為。身體關(guān)節(jié)應(yīng)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(guān)聯(lián)的，一對前肢和后肢是局部連接到脊椎的相應(yīng)的振蕩器。1振蕩器是一個驅(qū)動頭，25振蕩器帶動軀干，68尾，和912機(jī)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(jī)器人。每個輸出量分別控制相應(yīng)的身體單元和四肢，作為設(shè)定點(diǎn)發(fā)送給每個電動機(jī)的PD控制器，表示肢體在爬行開始和結(jié)束時轉(zhuǎn)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(jī)器人的不足和未來改進(jìn),目前的模型的一個主要局限是，它基本上只能進(jìn)行平面的運(yùn)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(shí)際應(yīng)用中使用的機(jī)器人還需要在機(jī)器人的控制器的改進(jìn)，例如，對環(huán)境自動適應(yīng)步態(tài)及其參數(shù)。,目前該機(jī)器人能源消耗的測量能力是相當(dāng)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(jī)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(yùn)動行為的豐富性研究（如向后行走，水上行走，劃的運(yùn)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(jī)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(jī)，方便遠(yuǎn)處的操控者觀察前方情形。球形的