蛇形机器人：仿生机理、结构驱动和建模控制

蛇形机器人是一种能够模仿生物蛇运动的新型仿生机器人,由于它能像生物蛇一样实现“无肢运动”,因而被国际机器人业界称为“最富于现实感的机器人”。研究涉及材料学、仿生学、机械设计制造、传感技术等多学科交叉融合,在消防灭火、灾后救援、海底环境与管道探测、复杂环境作业、军事侦查等领域具有广阔应用前景,受到国内外学者及机构的广泛关注和研究。从蛇的生物特征、仿生原理、结构驱动、建模及控制等方面对蛇形机器人研究进行综述,按结构类型将蛇形机器人分为被动轮式、主动轮式、履带式、螺旋桨式和其他结构等;按驱动方式将蛇形机器人分为直流电机驱动、流体驱动、混合驱动和其他驱动等;以及目前常用于蛇形机器人的建模方法和控制策略。从中归纳和分析,得到蛇形机器人的关键研究问题包括材料升级、结构优化、柔性传感技术和自适应控制,其未来发展方向包括新型材料制备成型、高效结构设计加工、灵敏柔性传感技术、新型适合大变形的建模方法、自适应控制系统研发。     

蛇形机器人伸缩运动仿生研究

对生物蛇在不同环境中的运动步态进行了观察与试验,试验发现蛇具备垂直平面内的伸缩运动功能。详尽分析了水平面内和垂直面内伸缩运动的运动机理、运动特点和它们所能适应的特殊环境。分别建立了两种伸缩运动的数学模型,并对数学模型进行了运动学分析。根据蛇的伸缩运动机理,设计了蛇形机器人的仿生机械结构。最后根据数学模型,对蛇形机器人进行了伸缩运动试验,验证了这两种运动步态的可实现性。     

一种欠驱动蛇形臂机器人运动学分析方法

针对一种欠驱动冗余结构的绳驱动型蛇形臂机器人进行了运动学分析,给出了驱动绳长变量空间到关节空间的正解和反解计算公式。提出的运动学分析方法简便、实用,为后续蛇形臂机器人的实时控制奠定了技术基础。     

一种仿生蛇形机器人的结构设计

蛇形机器人能够在复杂的环境中运动。通过对蛇的身体结构、运动特点进行分析,对其骨架进行仿真抽象,设计了一种采用行星齿轮差动结构且具有三自由度的仿生蛇形机器人。此种结构蛇形机器人利用舵机以不同速率转动驱动行星齿轮差动耦合可实现俯仰、偏航、回转等运动,配备以传感器感知外界环境,具备驱动能力强、传动精度高等优点。通过UG建立了相应的虚拟样机并分析得出了临界转角等技术参数。     

蛇形机器人

生物蛇遍布于整个地球，它的多种运动形式及生理特点使它能够适应广泛的地理和自然环境。中国科学院沈阳自动化研究所研制的蛇形机器人是仿生机器人家族中的一员．具有生物蛇的运动机理和行为方式，能在各种粗糙、陡峭、崎岖的复杂地形上行走，并可攀爬障碍物，这是以轮子、或腿作为行走工具的机器人难以做到的。因此，蛇形机器人在许多领域具有广泛的应用前景，     

基于循环抑制CPG模型的蛇形机器人控制器

依据生物利用中央模式发生器(Central pattern generator,CPG)的自激行为产生有节律的协调运动适应多种环境,基于循环抑制CPG建模理论设计了蛇形机器人CPG控制器模型,分析了单个神经元、循环抑制CPG以及该控制器模型的稳定性,并把该控制器应用到一个结合蛇形机器人“勘查者-Ⅰ”动力学特性的仿真模型,得到了实现蜿蜒运动的CPG控制器参数,进而研究了调节S波个数、身体构形曲率、蜿蜒运动速度以及运动轨迹曲率的CPG控制器参数设定策略。此外,“勘查者-Ⅰ”应用该CPG控制器的输出成功实现了蜿蜒运动。该研究结果为设计人工CPG控制器提供了一个可行的方法。     

水陆两栖蛇形机器人的研制及其陆地和水下步态

针对沼泽、浅滩等复杂环境对蛇形机器人的环境适应需求,在广泛分析国内外水陆两栖蛇形机器人研究最新进展的基础上,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。通过步态试验验证了水陆两栖蛇形机器人的陆地和水下运动能力。在试验过程中,对陆地和水下步态的性能做出分析,分析结果对水陆两栖蛇形机器人在陆地和水下运动的位置和姿态控制具有重要意义。     

仿生六足机器人机构设计及控制方法研究

机器人足部与壁面间的粘附能力及其运动控制策略是爬壁机器人能够在处于不同倾斜度的壁面上爬行的关键技术。模仿甲虫足部钩刺对抓的特征及尺蠖蠕动爬行运动特性设计了一种可灵活转向的仿生六足爬行机器人机构。该机器人采用CPG(central pattern generator)仿生控制方法实现其在粗糙壁面上的任意方向的运动,并且通过超声波传感器的反馈信号能够实现避障功能。机器人足部采用对抓设计提高了爬行稳定性,同时CPG控制方法简单、新颖。基于Matlab软件建立了CPG控制网络,并结合反馈信号实时调节网络输出。在Webots移动机器人仿真环境下完成了机器人建模,CPG控制器程序编写,通过动态仿真验证了六足机器人机构和控制方法的合理性,机器人爬行速度约2.7 cm/s。     

基于LabVIEW的蛇形机器人PID控制

蛇形机器人是一种多关节高冗余自由度的模块化柔性机器人,有广阔的应用前景,其多自由度的协调控制以及运动稳定性,一直是整个蛇形机器人的关键所在。根据自主设计的多关节,高冗余自由度,正交模块化的蛇形机器人展开控制研究,采用美国NI仪器的控制器及其相关模块,德国福尔哈贝微型无刷直流电机,再结合Lab VIEW软件强大的图形化编程语言实现了整个蛇形机器人可视化监控的PID控制,具有很好的控制精度和运动稳定性,为后续此类蛇形机器人的进一步研究做了铺垫。     

仿生机器人体系结构的研究

针对非结构化的、未知的工作环境要求，提出了一种适用于第四代仿生机器人的仿生式体系结构，阐述了仿生控制的思想与原理，实现了代与代之间的反射式行为控制向本能式行为控制的进化和本代内由慎思式行为控制向反射式行为控制的学习升华，弥补了基于慎思式AI和基于反应式AI的两种模型的不足，可使机器人具备良好的主动学习和自适应能力。     

基于神经网络的机器人鲁棒跟踪控制

针对具有参数不确定以及外部扰动的机器人系统,提出了一种基于神经网络的鲁棒跟踪控制策略。鲁棒补偿控制器用于消除系统参数以及外部干扰引起的不确定性的影响,再利用神经网络学习系统不确定性未知上界。仿真结果表明,方法能有效克服机器人系统模型的不确定性和外部干扰,具有良好的鲁棒性和控制性能。     

基于事件驱动的机器人图形化编程系统研究

针对目前机器人图形化编程入门困难和无法及时响应外部事件的问题,提出了基于事件驱动的机器人图形化编程思想方法,并给出了图形化编程系统中分析器和编译器的解决方案,最后通过实验验证了其编译过程的正确性。     

基于单片机的步进电机控制器设计

电机转速控制是运动控制系统中的一个重要控制环节,其性能的优劣对运动控制系统的性能起着重要的作用。文章设计了以单片机为控制核心的步进电机控制器,并给出了详细的设计过程,包括硬件设计和软件设计。为了验证所设计控制器的正确性和有效性,文章给出了实验结果,实验结果与预期效果相吻合。     

基于任务灵活性的脑外科机器人机构设计

为了避开脑部重要组织,降低手术造成的损伤,脑外科手术机器人需要具有良好的任务灵活性,可以辅助医生将手术针按照特定位姿精确定位到病灶点上.对比分析了两类有解析逆解的脑外科机器人构型,着重分析机器人后两个关节参数对任务灵活性影响,以此针对脑外科机器人工作现实,给出了机器人机构参数优化方法,对两类机器人进行了机构优化设计与选型.此对比分析与优化设计方法可供医疗机器人构型选择.     

基于模糊GA算法的挖掘机履带行驶机构控制策略

为了解决挖掘机履带行驶机构双电机系统的协同控制问题,采用模糊控制与遗传算法对底盘电驱动系统的控制策略及其优化方法进行了。首先建立了双电机独立驱动的挖掘机底盘系统模型,进而设计了双电机驱动控制策略并基于模糊遗传算法进行了控制策略的优化,为了验证所设计的控制策略,通过MATLAB软件对所设计的模糊控制策略进行了计算机仿真,仿真结果表明所提出的控制算法可以实现良好的挖掘机行驶性能,控制效果良好,转向半径平稳且转向过程中速度稳定。     

乌贼游动机理及其在仿生水下机器人上的应用

针对大多数机器鱼未采用弹性机制来提高能量利用效率和耐压能力低等的不足,对拥有高超游动能力,具有耐压结构的乌贼进行研究.分析乌贼喷射和鳍波动推进的游动机理,给出喷射推力、喷射和整周期流体推进效率方程.乌贼复合游动方式的优点是高速性和低速性均很好,能瞬时改变游动方向,噪声低,以及即使喷射速度低于周围流体速度,也能产生推力.为深入说明乌贼游动机理,研究乌贼外套膜和鳍这两套运动系统的肌肉性静水骨骼结构及其动作原理.肌肉性骨骼不但具有支撑躯体,进行动作和输出力的作用,还具有良好的耐压能力.大多数乌贼体内没有充气组织,外套膜腔内外静压平衡,进一步提高了它们的耐压能力.乌贼动作时,弹性机制能够减少能量消耗,提高能量利用效率.若能将乌贼的游动方式、肌肉组织结构和弹性机制等特点应用到仿生水下机器人上,将使其更加高效、灵活和耐压.     

基于PMAC的冗余度机器人控制系统

随着冗余度机器人技术的发展,开放式冗余度机器人控制系统的开发和使用变得尤为重要。文章介绍了以PMAC运动控制器为核心,通用PC为系统支撑的开放式冗余度机器人控制系统,阐述了其硬件结构,采用模块化技术和虚拟仿真语言开发了机器人的仿真及控制软件,整个系统有较高的实时性和较好的开放性。     

基于迭代学习控制的码垛机器人轨迹优化

提出一种学习控制方法用于码垛机器人的速度优化。通过对系统跟随误差学习,实现在误差允许范围内运动速度最大化,从而实现码垛效率的优化。本方法对系统建模要求较低,易于在实际控制器上实现。系统仿真实验结果表明,在带入机械臂系统参数后,在对迭代算法改进后的最优轨迹与未改进的标准轨迹比较后,前者通过改进局部速度,使机器人运转时间缩短了10％～20％。     

汽车主动悬架控制策略研究及分析

为了提高汽车的乘坐舒适性和安全性,车辆采用主动悬架系统.根据汽车悬架的结构,建立了二自由度1/4车体主动悬架模型.由于模糊控制具有建模简单、控制精度高和非线性适应性强等优点,在车辆主动悬架控制策略中得到了较广泛的应用.加上PID控制器因其结构设定灵活、参数整定方便、对模型误差具有鲁棒性等优点.将其结合提出一种新的控制策略.设计了以车身速度和加速度为输入的模糊PID控制器,实现了对主动悬架的控制.同时,使用Matlab/Simulink进行计算机仿真,达到了改善车辆垂直减振的目的.仿真结果表明,采用所设计的模糊控制策略的主动悬架系统,明显提高了车辆乘坐的舒适性和安全性.     

基于DELPHI编程环境的步进电机控制系统研究

分析了精校机步进电机控制中的软硬件问题 ,研制了专用的 I/O驱动器和缓冲器 ,在 DEL-PHI中嵌入汇编代码的方式编写了步进电机控制软件。能满足精校机对步进电机系统的控制要求。