仿生机器人技术要点.ppt

胸鳍机械结构设计 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: 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； 通过胸鳍的上下摆动产生升力； 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； 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。 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。 3.3仿生机器鱼的运动控制 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： 1 直线运动 2 转向运动 机器鱼具有三种基本的转弯模式： 3 上浮、下潜运动 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。 3.4仿生机器鱼控制系统硬件设计 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。 机器鱼的控制系统设计主要包括以下内容： (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； (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； (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； (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。 机器鱼控制系统总体框图 4 四足仿生机器人 4.1 四足仿生机器人总体方案设计 1 样机设计概况 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 2 机器人运动控制算法 目前机器人的运动控制算法可大致分为两类： (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。 (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。 3 CPG算法研究 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。 ?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。 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。 日本电