仿生机器鱼步态控制及闭环运动控制方法综述

鱼类所具有的推进效率高、机动性强、环境扰动小等优点引发了国内外学者对仿生机器鱼的研究。底层步态控制方法和闭环运动控制方法是当前机器鱼控制研究的两大热点。按照推进模式的分类方法概述各类机器鱼的样机研制情况以及其性能优劣,介绍机器鱼的推进机理及其水动力学研究进展,进而重点探讨轨迹逼近方法和中枢模式发生器这2种底层步态控制思路,综述机器鱼的典型闭环运动控制方法。中枢模式发生器具有更强的灵活性、稳定性和可操作性,易于引入反馈项而实现闭环控制,在机器鱼底层步态控制中占主导地位。针对机器鱼的显著特点改进后的基于学习的控制方法与多种方法相结合后的混合控制方法具有更为广阔的发展前景,符合仿生机器鱼智能化的发展方向。根据工作条件和运动要求建立合理的步态控制系统以及准确高效的闭环运动控制系统可提高机器鱼的整体性能。

水下机器人仿生胸鳍设计研究进展

水下机器人仿生胸鳍驱动器凭借其独特优势被广泛应用于海洋探索领域,但针对其研究现状进行系统性研究较为欠缺。采用Citespace软件从发文趋势、研究内容及关键词等方面对系统梳理后的水下机器人仿生胸鳍相关文献进行分析,总结了水下机器人仿生胸鳍造型设计、结构设计及运动控制3个热点研究方向;归纳出面向造型设计领域的具象模拟、抽象概括及参数优化方法,面向结构设计领域的结构仿生、模块化及模拟优化方法,以及面向运动控制领域的仿真模拟及样机试验方法。研究表明:仿生胸鳍在稳定性和机动性方面有一定优势,未来研究重点应为仿生原型、新能源及智能化等方向,为针对水下机器人进行创新型驱动方式的拓展研究及系统开发提供理论指导。

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。

灵长类仿生机器人高机动运动与控制关键技术研究

灵长类仿生机器人具有高爆发性、高适应性、高平衡性等特点,既能够完成基本行走式机器人的工作职能,又能适用于复杂环境下的协同配合工作。文章主要探讨灵长类仿生机器人高机动运动与控制关键技术及主要研究方案,以黑猩猩等典型灵长类动物为仿生对象,开展机器人仿生关键技术研究,针对机器人运动高机动性的多运动模式和高爆发性特点开展研究,重点探讨灵长类高机动运动的生物学及运动力学信息提取与表征、高爆液压驱动和传动系统构建、多模式运动的灵长类机构优化、多模式运动统一建模及最优模式选择与切换4项内容。

四足仿生机器狗运动控制研究

针对四足仿生机器狗运动避障控制精度的要求,结合四足仿生机器狗运动学模型,提出了一种基于模型预测控制的运动控制方法,并探讨在不同控制参数和不同工况下模糊预测控制器的规避效果。研究结果表明,在不同控制参数和参考速度下,控制器能让四足仿生机器狗按照给定的避障轨迹进行跟踪,且跟踪轨迹误差控制在10 cm以内,偏航角误差稳定在2°以内。通过以上研究可知:基于模糊预测控制的控制器具有良好的稳定性,能较好地实现四足仿生机器狗的步态控制;同时,不同误差权重系数Q和权重系数R参数设置对机器狗的运动控制效果也不同。Q和R越小,其稳定性越强,但响应速度越慢。

基于弹簧负载倒立摆模型的仿袋鼠机器人稳定跳跃控制

仿生跳跃机器人具备很强的越障和环境适应能力,但是由于机器人运动过程中较短的可控时间以及腾空阶段运动的不确定性,运动的稳定性对于仿生跳跃机器人至关重要.本文对仿袋鼠机器人跳跃运动过程中的稳定跳跃控制问题进行了研究.首先采用双质量弹簧负载倒立摆模型(spring-loaded inverted pendulum,SLIP)模型对袋鼠机器人的结构进行简化,建立了机器人系统的动力学模型,并对机器人的运动过程以及着地相与腾空相的切换条件进行了分析.然后采用解耦控制的思想,将SLIP模型的运动控制分解为水平速度控制和跳跃高度控制两个方面,分别通过控制着地角度实现对水平运动速度的控制,通过能量补偿实现对跳跃高度的控制.最后在ADAMS仿真环境中建立机器人模型并进行了机器人运动仿真实验.实验结果表明,本文提出的方法可以实现仿袋鼠机器人稳定的周期性跳跃运动.

水陆两栖仿生机器人构形、运动机理及建模控制综述

从水陆两栖机器人本体构形、推进动力学建模、多环境运动控制等方面对水陆两栖机器人近期的研究现状进行综述。首先,按照两栖机器人结构类型将两栖机器人分为腿式推进、轮腿/鳍复合式推进、蛇形推进、球形两栖机器人等;然后,介绍两栖机器人在水、陆环境中推进的动力学建模方法,以及目前常用于水陆两栖机器人的多环境运动控制策略。最后归纳得到两栖机器人的关键技术及未来发展方向,包括新型推进机构设计、系统建模、推进机理研究和多模态自主控制技术等。

新型仿鱼尾推进装置设计与水动力学仿真分析

由电机驱动的仿生机器鱼在水下推进时主要依靠尾鳍摆动,大多数样机的驱动电机会在鱼尾的摆动过程中出现反转的现象,以致不能输出高转速的稳定性能。针对这些问题,对仿生鱼尾进行了推进装置结构优化,用一种新型的双斜面偏转关节带动鱼尾驱动。该模型的双电机驱动避免了频繁正反转带来的效率低下问题,能长时间正转保持额定功率的输出,提高了关节的功率密度。在此模型上进行了水动阻力的计算和仿真实验,更有效地模拟了水下环境。