仿生机器人研究进展综述

随着机器人技术和仿生学的发展,仿生机器人的研究正受到学者们的普遍关注。在对仿生机器人进行分类的基础上,从地面仿生机器人、水下仿生机器人以及空中仿生机器人3个方面简要介绍了国内外典型仿生机器人的最新研究进展,并介绍其发展趋势。     

仿海鬣蜥水陆两栖机器人系统设计

为了满足军事中对水陆两栖可视环境的探测需求,以海鬣蜥为仿生对象设计一款适合水陆两栖环境的仿生机器人。利用SolidWorks软件建立仿海鬣蜥水陆两栖机器人的三维模型,并设计其控制系统。进一步对机器人爬行步态和游动步态进行设计和分析,通过STM32控制器控制舵机、电机、摄像头等执行部件,实现了仿海鬣蜥机器人的陆地爬行和水中游动。通过样机实验验证了该仿生机器人运动灵活、系统运行稳定,具备良好的水陆两栖环境运动和探测能力。     

仿生六足机器人的结构设计及运动分析

在分析多足昆虫结构特点和运动功能特点的基础上,完成了仿生六足机器人的结构设计和样机制作。基于ADAMS与MATLAB联合编程,设计仿生六足机器人CPG(中枢模式发生器)控制模型。基于ADAMS对六足机器人进行直行步态运动仿真分析,得出六足机器人的直线运动步态控制数据。通过对样机实验,结果表明仿生六足机器人的运动稳定,满足设计要求。     

水下仿生机器人设计与实现

为解决大型舰船水下部分检修的难题,设计一台水下仿生机器人。利用SolidWorks软件建立仿生机器人的3D机械模型,设计其控制系统,并分析它在水下工作的力学特性。仿生机器人工作时,利用超声波、陀螺仪等传感器将检测到的水下环境参数转换为电信号,并实时将电信号发送到STM32控制器中;通过STM32控制器根据预设的算法对各种信号进行处理;通过STM32控制器发送命令,控制推进器、摄像头等执行元件,从而实现仿生机器人的自动运行。该仿生机器人运行稳定、反应灵敏,没有发生漏水和无法控制的情况,达到预期目标。     

仿生机器鱼巡游性能的优化研究

传统的螺旋桨式水下推进器存在机械效率低和机动性能差等缺点,为大幅提高水下航行器的推进性能,仿生鱼类身体\尾鳍泳动模式研制出仿生机器鱼。为研究鱼体运动特征参数对推进性能的影响,建立身体\尾鳍推进模式的运动学方程和动力学模型。通过多步态仿真计算和仿生机器鱼水下游动实验,表明为保证高游速和高水平姿态稳定性,可设计一组特定的波幅包络线系数和体波摆动频率,以实现仿生机器鱼的巡游性能优化。     

基于不完全线齿轮传动的仿蝗虫跳跃机构设计

以跳跃性能优异的蝗虫为仿生对象,设计一种新型仿生跳跃机构。针对蝗虫采用的间歇式跳跃机制以及蝗虫后腿结构简单高效的特点,新型机构通过不完全线齿轮传动提供间歇运动,以跳跃执行部分模拟蝗虫后腿跳跃结构,并以弹簧作为储能机构。对跳跃机构进行垂直方向的跳跃运动仿真,并分析跳跃机构中弹簧的弹性系数大小对跳跃能力的影响,结果表明该跳跃机构的设计具有较好的可行性,并有尺寸小、跳跃能力强的特点。     

仿生金刚石钻头非光滑表面优化研究

对仿生单元的直径和排列方式进行研究,探求合理的非光滑表面形态。通过加工四个仿生试样并进行磨耗比测试,实验结果显示:仿生试样B2和B3明显高于B1和B4,其中B3仿生试样最高,比B2高出2%,由此可知,最佳的仿生单元直径为2.0mm;然后加工小口径仿生金刚石钻头,将数个2.0mm仿生单元材料均匀排布于钻头底唇面上,并进行钻进试验,结果显示:仿生单元在合理范围内排布时,仿生金刚石钻头具有较高的钻进效率和较长的使用寿命,否则其性能并不比普通钻头优越。由实验可知,仿生单元均匀排布时,径向角度为24°和30°的仿生单元排布方式比较合理,明显提高了仿生金刚石钻头性能。     

2D电液数字高频阀的设计和实验研究

为取得具备较高频率的电液激振器,设计一种2D电液数字高频阀,并对其进行结构分析和实验性能的研究。该2D阀利用无刷直流伺服电机和高速齿轮箱传动机构带动阀芯做旋转运动,以控制激振器的振动频率;利用步进电机和凸轮机构控制阀芯的轴向运动,以控制激振器的振动幅值。该阀结构简单,抗污染能力强,能直接数字控制,且能获得较高的激振频率。     

六足机器人步态仿真与实验研究

针对各应用领域对具有复杂环境适应能力的行走机器人的需要越来越大的现状,从灵活性和稳定性入手设计仿生六足机器人,通过规划机器人的运动步态,分析多自由度在运动过程中的突出优点,并研究不同运动步态下各转动关节的转矩随时间的变化关系,将软件模拟和样机测试所得数据相互参照,对机器人的实际运动能力进行检测,验证仿生六足机器人结构的合理性和运动的可行性,为仿生六足机器人物理样机的进一步研制提供理论依据。     

一种弹性足式机器人腿部结构设计与分析

针对足式机器人在实现奔跑、跳跃等极限运动时,腿部会受到地面较大反向冲击力的问题,使用仿生学方法以猫科动物腿部骨骼肌系统为仿生对象,通过引入变刚度弹性杆件对闭链连杆机构进行优化设计,设计一种结构简单、能够有效储存地面反向冲击力并将其转化为运动时动能的足式机器人腿部机构;建立数学模型,对变刚度弹性元件进行定量分析,并采用矢量回路法对连杆机构进行运动学分析;建立优化前后两种单腿机构的虚拟样机,使用MATLAB软件设计控制系统,并应用ADAMS对虚拟样机进行行走、跳跃仿真,对优化前后两种腿部机构进行对比实验;在此基础上搭建实物样机,并进行实验验证。实验结果表明:所提出的足式机器人腿部结构具备可实现性,能够将来自地面的冲击力转化为运动的动能,提升足式机器人的跳跃高度。     

仿生机器鳐鱼多模态运动控制与优化方法研究

鳐鱼使用胸鳍摆动推进，具有稳定性高、隐蔽性强等特点。针对仿生机器鳐鱼复杂水下环境运动控制问题，提出一种基于模糊控制和中枢模式发生器（CPG）的混合控制方法，即Fuzzy-CPG算法。在CPG控制模型基础上引入高层感觉反馈控制机制，并通过模糊控制器来调节CPG参数，实现仿生机器鳐鱼的多模态运动控制。通过直线前游、原地转弯和动态沉浮试验，在不同的Fuzzy-CPG控制器初始参数下，分析仿生机器鳐鱼多模态运动的性能，通过姿态传感器的反馈验证各模态运动下仿生机器鳐鱼游动的稳定性。试验结果表明： Fuzzy-CPG运动控制方法不仅能实现仿生机器鳐鱼多模态运动，且具有良好的鲁棒性。     

气控式水下机器人建模与动态性能分析

为了填补民用浅海领域水下机器人产品的空白,提出并设计一种基于气控技术的水下探测机器人。该机器人装备了水下摄像头,可以使用于近海养殖行业对水下环境和鱼类生长情况进行实时监控。水下机器人运动时要求具备稳定的动态性能,而水下工作环境多变,会使机器人运动精度受到影响。针对该机器人潜浮过程设计一个闭环控制系统,通过动态反馈来纠正速度偏差。介绍了该闭环控制系统的组成和工作原理,在此基础上推导了系统各部分的传递函数和总传递函数,并采用PID校正调节系统参数,从而确保了系统的可行性和稳定性。     

基于深度学习的单目视觉水下机器人目标跟踪方法研究

介绍了一种基于深度学习的单目视觉水下机器人目标跟踪新方法,采用该方法能够使自主水下机器人(AUV)在水下复杂环境中实现图像增强处理与目标识别跟踪,对于视频图像中的每个图像,使用预先经过训练的深度卷积神经网络计算图像传输图,图像传输图提供了图像深度信息的相关估计,该方法能够识别水下目标区域,并标明水下目标运动及跟踪方向。实验表明:该方法能够更精确、更稳定地获取水下环境中的定位数据。     

超小型模块化ROV密封舱的结构设计及力学仿真

针对浅海资源探查与水下环境检测的需求,设计一种功能可扩展的模块化超小型ROV (有缆遥控水下机器人)。该水下机器人具有模块化、体积小、质量轻、运动特性良好等特点,主要应用于淡水或浅海的水下探测及水下养殖。重点介绍ROV的密封舱体设计及仿真。利用三维设计软件Solid Works建立水下机器人本体的模型,并利用Solid Works Simulation模块,对密封舱中间筒体部分在水下100 m进行强度校核,结果表明壁厚符合安全要求;在水下50、100、200和400 m对壁厚6 mm的亚克力半球罩的强度进行仿真分析,在水下400 m处,亚克力罩的最大变形为0. 46 mm,最大应力为29. 2MPa,满足安全要求。     

四足仿生机器人关节运动控制器的设计与实现

针对四足仿生机器人分层、分布式控制系统，研制了由嵌入CAN控制器的单片机AT89C51CC01、电机运动控制芯片LM629和电机驱动芯片LMD18245组成的关节运动控制器，详细介绍了其总体方案设计、硬件设计和软件设计，实现了对四足仿生机器人实时、精确的控制。