仿青蛙跳跃机器人虚拟样机的机构设计

跳跃式机器人相比轮动式机器人的主要优点是能更灵活的运动以适应更多陡峭地形,我们以青蛙为原型设计了一种仿生跳跃型机器人,能够完成侦探、探索地形等任务。结合青蛙跳跃前后各个阶段的运动需要在前后肢体运动形态,足部结构设计和动力系统上都采取了创新设计,并在机械设计的基础上虚拟样机建模,以进行Adams仿真方法与运动学分析进行跳跃可行性验证,为后续机器人制造过程打下基础。

仿生青蛙机器人的设计与运动控制

通过探讨仿生青蛙机器人设计与运动控制,模拟青蛙生物学特征和运动原理,从而使机器人同时具有强灵活性和高适应性。青蛙作为一种生物学上杰出的运动者,具有出色的跳跃能力和水陆两栖生存能力,为仿生机器人技术提供了丰富灵感来源。

一种蛙式跳跃者分析

本文以青蛙为参考对象进行跳跃机器人的运动机理分析与研究。构成平行四边形结构,采用间歇式齿轮传动装置带动弹簧的拉伸,从而用弹簧的弹力来实现青蛙的跳跃;在青蛙的前肢加入了减震机构,使其在跳跃之后能够平稳落地。机械设计简单,运用齿轮和连杆结构,操作简单,能够实现一定范围内的弹跳要求。设计的蛙式跳跃者能够在特殊环境下实施救援、勘测等任务,具有很强的环境适应性和市场推广价值。

仿青蛙跳跃机器人运动学研究

提出了仿青蛙跳跃机器人机构模型及运动学研究的方法。基于对青蛙运动的研究,提出了仿青蛙机器人单侧跳跃机构的分析模型,采用D-H法,建立了机器人起跳与腾空两个阶段,其前肢和后肢的运动学方程,进行了正、逆运动学研究。分析机器人四肢的运动空间,并通过实例计算,验证了研究结果和生物学实测结果相一致,从而证明了这一仿生跳跃机构模型的可行性和仿生机构运动研究方法的有效性。得出的结论将为仿青蛙跳跃机器人的设计及控制提供理论基础。

仿蛙跳跃机器人起跳任务规划与控制

研究跳跃机器人起跑规划问题,针对仿蛙跳跃机器人在起跳过程中脚掌与地面之间形成的欠驱动约束和特定的起跳任务,为提高系统性能,提出了一种在任务空间内实现给定起跳任务要求的路径运动规划控制。利用部分反馈线性化(PFL)将仿蛙跳跃机器人系统起跳动力学方程中的非线性部分线性化,设计了滑模变结构控制器对仿蛙跳跃机器人在起跳阶段的质心轨迹进行跟踪控制。结果表明滑模控制器能够使质心轨迹精确地跟踪给定轨迹,解决了仿蛙跳跃机器人的起跳任务优化控制问题,验证了提出的任务空间控制方法用于仿蛙跳跃机器人起跳任务规划的可行性。

基于仿生理论的新型优化算法综述

仿生优化算法是通过模拟自然界生物进化或者社会行为的随机搜索方法而提出的一类算法。上述算法能够解决诸如背包问题、指派问题、旅行路径问题等许多传统方法难以解决的复杂问题,可被广泛地应用。介绍了混合蛙跳算法、萤火虫算法、杂草算法和蝙蝠算法四种目前比较新颖的新型仿生优化算法,分析比较了上述算法的特点及适用场景,通过仿真对比分析了四种算法的性能,最后分析了仿生优化算法的应用前景,并指出了算法今后的研究和发展的方向。

基于自适应蛙跳算法的入侵检测特征选择

针对目前蛙跳算法应用到入侵检测特征选择时均存在容易陷入局部最优、迭代后期收敛速度慢等问题,提出一种基于自适应蛙跳算法的特征选择方法。该方法采用自适应的变异策略,通过层次分析法自适应调整各影响参数权重以及建立模糊判断矩阵选择调整参数概率来改进蛙跳算法。实验结果表明:改进的算法显著提高了收敛性能,具有很强的自适应能力,不但能对不同类型攻击进行检测,并且对不同类型攻击具有较好的均衡性;在保证检测率较高的同时也具有较低的误报率。

重型拖拉机湿式离合器摩擦片耐磨仿生设计与试验

重型拖拉机湿式离合器作为动力换挡变速箱的重要执行部件,其摩擦副的磨损失效是导致传动系统整体性能下降的主要原因之一,为减少因其带来的资源和经济损失,进而设计一种耐磨离合器摩擦片。该文从仿生学角度出发,以大树蛙为对象,用扫描电镜观测其趾端,发现树蛙趾端微观结构轮廓形状有四边形、五边形、六边形,六边形结构居多且结构大小均匀其直径约为12μm,微结构的轮廓间为沟槽,沟槽宽度约为1.5μm。研究表明树蛙体表分泌的黏液在围绕着六边形结构的沟槽内循环流动,增强其在潮湿环境下的粘附力,即摩擦系数。树蛙在与湿滑基底接触时表现出很强的黏附力和摩擦力,仿生摩擦片具备这些特点更能满足传递运动和转矩的要求。通过提取树蛙趾端参数,优化摩擦片表面结构,将树蛙趾端的致密六边形沟槽分割结构进一步突出特点、简化结构,对重型拖拉机湿式离合器摩擦片表面的油槽结构进行相似设计,以此为设计思路设计了9种仿生试样并采用激光加工技术制作样件。采用微观摩擦磨损测试仪进行摩擦磨损试验,通过计算摩擦系数对比不同六边形直径与不同沟槽宽度下摩擦摩损效果上的差异。试验结果表明,仿生非光滑结构比光滑结构具有更好的耐磨性特性,且正六边形直径为12 mm,沟槽宽度为1.5 mm时,磨损量最低,摩擦系数相对较高,这因为六边形直径与沟槽宽度综合作用,能够最大限度地降低磨损,提高摩擦片的工作能力和使用寿命。这说明合理地设计摩擦片表面结构,不仅能够满足动力传递的要求,同时可以降低磨损,节省材料,进而达到了改善离合器耐磨性能的要求。

一种仿蛙跳跃机器人起跳加速性能的度量方法

针对仿蛙跳跃机器人在起跳阶段脚掌与地面之间的被动约束,提出了一种考虑脚掌欠驱动的起跳加速性能度量方法。建立了机器人的起跳分析模型,提出了用虚拟加速度和虚拟力矩来表达质心加速度与主动关节驱动力矩的关系,确定了适于冗余欠驱动机器人的动态可操作矩阵,给出了仿蛙跳跃机器人在给定方向质心加速性能的动态方向可操作度量指标。算例表明,当在不同位形输入恒定力矩时,质心在给定方向的瞬时加速度与动态方向可操作度的变化趋势一致,表明了提出的度量方法对质心加速性能指标的评价是可行的。

几种仿生优化算法的比较研究

仿生优化算法是一类模拟自然生物进化或者群体社会行为的随机搜索方法的统称。由于这些算法求解时不依赖于梯度信息,故其应用范围较广,特别适用于传统方法难以解决的大规模复杂优化问题。阐述了三种典型的仿生优化算法——遗传算法、蚁群算法和混合蛙跳算法各自的产生背景、基本思想以及实现步骤,然后深入分析讨论了它们的异同之处与适用范围,最后指出了仿生优化算法今后的发展趋势和研究方向,其中提出的一些改进思路对进一步的研究工作有一定的理论意义和应用价值。

一种新的仿生优化算法及其改进

针对基本混合蛙跳算法随机性强,在处理复杂函数优化问题时容易陷入局部最优、收敛速度慢的缺点,提出了一种改进的混合蛙跳算法,该算法利用高斯变异算子对子群最差青蛙进行适当的扰动,修正了其更新策略,从而维持了群体的多样性。用典型测试函数对粒子群优化算法、基本混合蛙跳算法及改进算法进行对比实验,仿真结果验证了新算法的有效性和鲁棒性。

基于仿生群智能优化RBF神经网络的机械手滑模控制方法研究

为了提高机械手滑模控制的准确度,采用RBF神经网络来完成机械手滑模控制,并借助群体智能算法中的混合蛙跳算法来实现模型参数的优化。在机械手滑模控制及机械手运动轨迹跟踪过程中,将RBF神经网络权重和阈值作为蛙跳算法的青蛙个体,随机产生的多个权重和阈值组合个体构成蛙群,并对蛙群进行分组,通过不断重新分组和组内迭代的方法来获取全局最优个体,得到最优权重和阈值,确定最优机械手滑模控制模型。经过实验证明,采用基于仿生群智能优化RBF神经网络的机械手滑模控制,跟踪准确度高。

An Optimal Wet Friction Plate Inspired by Biological Surface Patterns

It is found that many biological organisms exhibit superior adhesion characteristics in wet environments. It has been observed that the foot pads of tree frogs and katydids are consist of a number of closely arranged polygons, most of them are hexagonal. In this paper, the common structure of two kinds of biological foot pad was extracted to model the bionic surface structure of friction plates. The friction plate prototypes were also prepared. Through the multivariate orthogonal regression design, the optimum parameter combination of the friction performances of the prototypes of the bionic plates has been obtained. The hexagonal circumcircle size is 10 mm, the groove width is 1 mm, and the hexagonal diagonal angle is 90~. Then the maximum static friction coefficient, dynamic friction coefficient and wear amount of the optimal friction plate were tested and compared with the control group friction plates. The comparative analysis of the experiment findings demonstrated that the bionic structure with hexagonal ring grooves can significantly improve the friction performance of the friction plates.