胸鳍推进型机器鱼的CPG 控制及实现

结合仿生游动机理,针对胸鳍推进型机器鱼提出了一种基于中枢模式发生器（CPG）的运动控制方法． 该模型采用一类振荡频率和幅值可以独立控制的非线性微分方程作为其神经元振荡器模型,通过最近相邻耦合的方 式,对n 个这样的神经元振荡器进行耦合,构建了仿生机器鱼的CPG 网络模型．证明了此模型单个神经元振荡器的 极限环的存在性、唯一性及稳定性．在此基础上,通过对胸鳍推进的运动学分析,导出机器人直游、倒游、胸鳍—尾 鳍协调运动等多种模式的运动控制方法．仿真及实验结果验证了此中枢模式发生器模型的可行性与所提控制方法的 有效性．     

仿生机器鱼胸/尾鳍协同推进闭环深度控制

为改善机器鱼定深控制过程中的动态性能与稳态性能,根据深度误差的大小将定深控制过程分解为趋近阶段与巡游阶段,给出了一种基于中枢模式发生器（central pattern generator,CPG）与模糊控制相结合的闭环运动控制方法．为此,首先建立了以压力传感器信号为反馈输入,通过模糊控制器调节控制参数的CPG运动控制模型．在此基础上,针对误差较大的趋近阶段,采用胸/尾鳍协同方式,通过趋近模糊控制器改变摇翼关节的偏置量与幅值来使机器鱼快速到达期望深度;针对误差较小的巡游阶段,采用改变攻角方式,通过巡游模糊控制器改变胸鳍攻角来使机器鱼保持在期望深度．两阶段之间通过胸鳍CPG的启停实现切换．模糊控制器设计时利用了基于最小二乘法对实验数据拟合而得出的俯仰角变化率与控制参数的近似关系,提高了机器鱼趋向期望深度的速度并减小了在期望深度巡游时的稳态误差．仿真与实验结果验证了所提控制方法的有效性．     

两类仿鲹科机器鱼倒游运动控制方法的对比研究

给出并比较了两类分别采用鱼体波动方程和中枢模式发生器（Central pattern generator,CPG）控制仿鲹科机器鱼倒游运动的方法.前者主要通过修改鱼体波动方程、颠倒机器鱼各个关节的控制规律来实现 鱼体倒游;后者则基于CPG模型,产生各个关节的节律控制信号.基于CPG的倒游方法可进一步细分为两种:1） 相位颠倒的CPG控制方法,即通过逆转CPG控制机器鱼直游的相位关系;2） 相位-幅值颠倒的CPG控制方法,即通过逆转鱼体波的传播方向和摆动幅值来实现机器鱼倒游.文中针对这两大类、三种机器鱼倒游运动控制方法 进行了分析、仿真和实验.实验结果表明:在相同参数配置下,采用相位颠倒的CPG控制方法产生的倒游速度最大,但游动对水的扰动也最大;而采用鱼体波倒游和相位-幅值颠倒的CPG控制方法时,两者产生的最大倒游速度相差不大,扰动较小.此外,采用鱼体波倒游方法在频率切换时会有抖动现象,需要设计专门的过渡函数来消除;而采用CPG模型的方法 则可以实现平滑过渡.上述结果对提高水下游动机器人的机动性能具有重要的指导意义.     

胸鳍推进机器鱼俯仰稳定性分析

胸鳍推进机器鱼的胸鳍在通过扑动产生推力的同时,也会产生纵向扰动,引起机身的俯仰运动,对应用产生一系列的影响.本文在传统潜艇稳定性概念的基础上建立了胸鳍推进机器鱼的俯仰稳定性模型,证明了机器鱼的俯仰运动系统是一个二阶线性系统;分析了由胸鳍扑动引入的扰动,证明其中包含常量分量、扑动频率的一倍频分量和二倍频分量.最后进行了样机的游动实验,实验结果间接证明了俯仰运动模型和胸鳍扑动扰动模型的正确性.     

一种2自由度胸鳍推进机构设计与动力学分析

以箱鲀为仿生对象,设计了一种两侧胸鳍对称布置,单侧2自由度胸鳍能够实现摇翼运动、前后拍翼运动以及两者复合运动的仿生机器鱼,建立了其利用"划水模式"推进的水动力学模型,通过数值方法给出了胸鳍摆动周期、幅值以及初始角的变化与直线游动速度之间的关系,实验结果验证了其有效性.在此基础上,确定了所设计仿生机器鱼采用"划水模式"推进时的直线游动模态.研究结果表明,胸鳍"划水模式"推进的仿生机器鱼具有较高的效率和运动速度.     

基于Fuzzy–CPG的双足机器人适应性行走控制

为提高双足机器人的环境适应性, 本文提出了一种基于模糊控制与中枢模式发生器(CPG)的混合控制策 略, 称之为Fuzzy–CPG算法. 高层控制中枢串联模糊控制系统, 将环境反馈信息映射为行走步态信息和CPG幅值参 数. 低层控制中枢CPG根据高层输出命令产生节律性信号, 作为机器人的关节控制信号. 通过机器人运动, 获取环境 信息并反馈给高层控制中枢, 产生下一步的运动命令. 在坡度和凹凸程度可变的仿真环境中进行混合控制策略的 实验验证, 结果表明, 本文提出的Fuzzy–CPG控制方法可以使机器人根据环境的变化产生适应的行走步态, 提高了 双足机器人的环境适应性行走能力.     

一种2自由度胸鳍推进仿生箱鲀机器鱼转弯特性研究

以2自由度胸鳍推进仿生箱鲀机器鱼为对象,研究其在单侧胸鳍推进、两侧胸鳍协同推进、以及单侧胸鳍与尾鳍协同推进等3种情形下的转弯特性.首先给出了胸鳍和尾鳍的正弦运动规律,并建立了3种情形下的转弯水动力学模型.然后利用数值方法分析了单侧胸鳍推进、单侧胸鳍/尾鳍协同推进时机器鱼实现给定半径转弯,以及两侧胸鳍协同推进时机器鱼实现原地转弯的特性,并给出了相应的转弯条件.实验结果表明,单侧胸鳍/尾鳍协同推进时的平均转弯角速度为0.26 rad/s;单侧胸鳍推进时的最大转弯角速度为0.314 rad/s,最小转弯半径为0.74倍体长;双侧胸鳍协同推进时原地转弯平均角速度为0.42 rad/s.与现有结果相比,所设计机器鱼转弯方式更为丰富,转弯机动性和转弯角速度较高.     

机器海豚多模态游动CPG控制

受自然界海豚超凡的水中游动技能启发,机器海豚在军事和民用上具有潜在的广泛应用前景,因此受到研究人员的极大关注. 然而,要实现机器海豚在水中自如地机动游动,必须为机器海豚设计一个具有丰富游动技能的多模态控制器. 为此,通过振荡器建模与分析、中枢模式发生器（Central pattern generation,CPG）与机器海豚关节配对、CPG单元间耦合等环节建立了机器海豚的链式弱耦合CPG运动控制模型,提出一种基于CPG激发产生多模态振荡波形控制机器海豚运动的方法. 详细阐述了机器海豚样机研制、控制器设计、运动控制实现与实验测试等内容. 向前直游、转弯、浮潜等游动实验结果验证了所提出的机器海豚CPG运动控制方法的有效性和实用性.     

运动辅助的CPG控制及其关键参数分析

针对运动辅助过程中主/从运动生成的问题,在原有松岗（Matsuoka）数学模型的基础上引入适应系数建立了一个新的CPG模型,获得了理想的主/从关节目标轨迹;利用仿真分析手段调查研究了CPG模型的关键参数对其输出振荡的影响规律;以单关节运动辅助为控制对象,建立了相应的人机交互运动系统的动力学模型,利用基于MATLAB的仿真试验对CPG控制的有效性进行了验证。结果表明,根据CPG各个参数与输出的变化规律,适当调节各个参数可以获得理想的输出;CPG生成的运动轨迹有效规避了传统助力机器人控制模型中复杂的运动学和动力学解算;可根据实际需求调整外部参数[C]从而有效地生成辅助装置主/从运动模式;控制方法对单关节运动辅助具有明显效果。     

胸鳍摆动推进仿生鱼的设计及水动力实验

为实现胸鳍摆动推进模式鱼类的游动,模仿牛鼻鲼构建了仿生鱼.首先,基于摆动胸鳍的生物学特征和运动规律,提出了具有主/被动复合柔性变形能力的仿生胸鳍原理模型.然后通过ADAMS运动学仿真验证了设计方案的可行性,并构建仿生样机.自由游动实验表明,仿生鱼游速可达0.46m/s,约1倍身长比,且具有原地转弯能力,最大转弯速度达60?/s.与国内外其他同类机器鱼相比,在游速和机动性方面均表现出明显的优势.基于准稳态叶素理论,提出了仿生胸鳍水动力简化计算模型.构建水动力实验平台,验证了计算模型的有效性,并通过一系列水动力实验研究了仿生胸鳍的水动力特性.实验结果表明,仿生胸鳍能够产生周期性变化的推、升力,且变化趋势与胸鳍运动控制参数密切相关.     

Optimal design and motion control of biomimetic robotic fish

This paper is concerned with the design, optimization, and motion control of a radiocontrolled, multi-link, free-swimming biomimetic robotic fish based on an optimized kinematic and dynamic model of fish swimming. The performance of the robotic fish is determined by both the fish＇s morphological characteristics and kinematic parameters. By applying ichthyologic theories of propulsion, a design framework that takes into consideration both mechatronic constraints in physical realization and feasibility of control methods is presented, under which a multiple linked robotic fish that integrates both the carangiform and anguilliform swimming modes can be easily developed. Taking account of both theoretic hydrodynamic issues and practical problems in engineering realization, the optimal link-lengthratios are numerically calculated by an improved constrained cyclic variable method, which are successfully applied to a series of real robotic fishes. The rhythmic movements of swimming are driven by a central pattern generator （CPG） based on nonlinear oscillations, and up-and-down motion by regulating the rotating angle of pectoral fins. The experimental results verify that the presented scheme and method are effective in design and implementation.     

Development of a biomimetic robotic fish and its control algorithm

This paper is concerned with the design of a robotic fish and its motion control algorithms. A radio-controlled, four-link biomimetic robotic fish is developed using a flexible posterior body and an oscillating foil as a propeller. The swimming speed of the robotic fish is adjusted by modulating joint's oscillating frequency, and its orientation is tuned by different joint's deflections. Since the motion control of a robotic fish involves both hydrodynamics of the fluid environment and dynamics of the robot, it is very difficult to establish a precise mathematical model employing purely analytical methods. Therefore, the fish's motion control task is decomposed into two control systems. The online speed control implements a hybrid control strategy and a proportional-integral-derivative (PID) control algorithm. The orientation control system is based on a fuzzy logic controller. In our experiments, a point-to-point (PTP) control algorithm is implemented and an overhead vision system is adopted to provide real-time visual feedback. The experimental results confirm the effectiveness of the proposed algorithms.     

形状记忆合金驱动仿生蝠鲼机器鱼的设计

研究了一种采用鳐科模式游动、柔性胸鳍摆动方式推进的形状记忆合金（SMA）丝驱动型仿生蝠鲼机 器鱼．首先,对双吻前口蝠鲼游动动作进行了分析,建立了蝠鲼胸鳍柔性摆动的简化运动模型．然后对能够模仿蝠 鲼肌肉动作的智能材料进行了分析．最后设计了SMA 丝驱动的柔性仿生胸鳍和仿生蝠鲼机器鱼,并分析了SMA 丝 的热力学特性,确定了控制规律．该机器鱼外形与双吻前口蝠鲼外形相似,身体呈现扁平形状,有一对三角形的柔 性仿生胸鳍,直线游动速度达到79 mm/s,最小转弯半径为118 mm．该机器鱼游动稳定性好,无噪声．     

3-D Locomotion control for a biomimetic robot fish

This paper concerns with 3-D locomotion control methods for a biomimetic robot fish. The system architecture of the fish is firstly presented based on a physical model of carangiform fish. The robot fish has a flexible body, a rigid caudal fin and a pair of pectoral tins, driven by several servomotors. The motion control of the robot fish are then divided into speed control, orientation control, submerge control and transient motion control, corresponding algorithms are detailed respectively. Finally, experiments and analyses on a 4-link, radio-controlled robot fish prototype with 3-D locomotion show its good performance.     

仿生魟鱼环形胸鳍波动推进的流场仿真

针对自主设计的仿生魟鱼水下机器人环形胸鳍波动推进过程进行了流场仿真研究。基于魟鱼前进运动时的胸鳍波动特征,建立了仿生环形胸鳍三维波动运动模型。利用CFD对胸鳍波动推进过程进行数值计算,分析了波动胸鳍产生的拉力以及前向运动的速度等推进性能。研究了周期波动过程中鳍面的周向压力分布,进行鳍面附近核心涡以及切面二维涡分量的计算,分析了涡的产生、发展以及尾迹涡的相关特性。结果表明,稳定后的拉力系数以近似正弦波形式进行波动,鳍面波动前后缘分布的高压和低压区域随波动沿周向从前往后传播,环形波动长鳍最终在尾迹处形成卡门涡,流场分析为仿生魟鱼水下机器人的运动控制及性能优化提供理论基础。     

HOJO-brain for motion control of robots and biological systems

The purpose of this research was to propose and develop a control method in the robotic and biomedical fields which is configured by a robotic/biological simulator, an analytical control frame which has phase sequences, sensory feedback, and an artificial central pattern generator (CPG) which is constructed by a recurrent neural network (RNN) and a genetic algorithm (GA). We call such a controller a “HOJO-brain”, which means a supplementary brain for motion control. We applied this method in the robotic and biomedical fields. In the robotic field, the HOJO-brain was applied to a 5-DOF legged-locomotion robot and a 32-DOF humanoid simulation model consisting of antagonistic muscles. In the biomedical field, it was applied to animals as the FES (functional electrical stimulation) controller. This FES control system with a HOJO-brain has the potential to give more effective and emergent motion control to severely physically handicapped people such as quadraplegics. With computer simulations and simple experiments using animals, we abtained performance indices which confirmed the fine adaptability and emergence for motion control. This work was presented, in part, at the Second International Symposium on Artificial Life and Robotics, Oita, Japan, February 18–20, 1997     

基于二阶一致性算法的多仿生机器鱼分布式编队控制

针对动态领航者按照自身动力学模型运动, 多个跟随者机器鱼以其为编队参考点, 根据编队要求形成队形并整体跟随领航者运动的问题, 提出一种多仿生机器鱼分布式编队控制方案. 首先, 基于二阶一致性算法给出各跟随者机器鱼估计领航者位姿信息的分布式算法;其次,给出以领航者为参考点的多仿生机器鱼编队描述方法,进而各机器鱼根据编队要求以所估得的参考点信息实时确定其在编队中的期望位姿; 再次, 各跟随者机器鱼以期望速度和角速度以及所估得的领航者位姿信息为输入, 利用模糊控制器确定其速度档位和方向档位, 实现编队的形成与保持. 仿真和实验结果均表明, 所提分布式编队控制方法是有效的, 仿生机器鱼群体能够较快形成期望队形并跟随领航者游动.     

Locomotion and depth control of robotic fish with modular undulating fins

This paper presents an environmental-friendly robotic system mimicking the undulating fins of a fish. To mimic the actual flexible fin of real fish, a fin-like mechanism with a series of connecting linkages is modeled and attached to the robotic fish, by virtue of a specially designed strip. Each link is able to turn and slide with respect to the adjacent link. These driving linkages are then used to form a mechanical fin consisting of several fin segments, which are able to produce undulations, similar to those produced by the actual fish fins. Owing to the modular and re-configurable design of the mechanical fin, we are able to construct biomimetic robotic fish with various swimming modes by fin undulations. Some qualitative and workspace observations by experiments of the robotic fish are shown and discussed.