第04讲--仿生机器人.pptx

1、,第四讲仿生机器人,仿生机器人简介 六足仿生机器人 蛇形机器人仿生鱼其他仿生机器人,2,生 物,研究,学习,再造,复制,模仿,3,生物 特性,观察,研究,模拟,科学 技术,设计 思想,工作,原理,系统 架构,4,仿生机器人是模仿 自然界中生物的外 形、运动原理或行 为方式的系统，能 从事生物特点工作 的机器人。,5,结构复杂,冗余自由度,超冗余自由 度,非常规驱动 方式,绳索,人造肌肉,形状记忆合金,6,地面仿生机器人,水下仿生机器人,空中仿生机器人,仿人机器人,7,仿生机器人可以简单地分为地面仿生机器人、水下仿生机 器人、空中仿生机器人、仿人机器人和生物机器人。,8,昆虫,六足仿生机器人,前

2、足,中足,后足,9,10,机器人 运动控 制算法,传统 规划 算法,仿生 控制 算法,仿生CPG算 法,遗传算法,基于行为的 控制方法,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,具有高度的并行处理能力，,鲁棒性强，易于实现全局 优化。,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.,11,三足步态：将六 条腿分为两组，A 组由1、3和5号腿 组成，B组由2、4 和6号腿组成。,为什么选择三条 腿组成三角形？,12,图（a）：6条腿都处 于支撑状态。图（b）：A组腿迈,步，B组腿支撑。图（c）：A组腿支 撑，B组腿迈步。图（d）：A组腿迈 步，

3、B组腿支撑。至此，完成了六足仿 生机器人行走的一个迈步周期。,：支撑腿,：迈步腿,13,六足仿生机器人采 用舵机进行驱动。,14,机器人的每条腿由 3个舵机控制，六 条腿共18个舵机。,PWM控制信号,控制电 路板,电机 转动,齿轮组 减速,舵盘 转动,位置反馈电位器,-,15,舵机的控制需要一 个周期20ms左右的 脉冲，脉冲的高电 平部分一般为0.5 2.5ms。,舵机控制信号,16,17,六足仿生机器人分层分布式控制系统框图,18,多足仿 生机器 人,对自然环 境高度的 适应能力,灵活的自我 操控能力,星球 探测,战场 侦察,灾难 救援,19,在水平表面上，机器人的车轮 可以加快行进速度

4、；当遇到复杂的地形时，其灵活的6个爪子可以应付各种复杂地 形。,美国科学家最新研制的全地形 六足地外探测器（ATHLETE）机器人用于未来月球基地的建 设和发展。,20,蛇的运动特点 蛇形机器人蛇形机器人驱动方式 蛇形机器人运动控制方法蛇形机器人应用前景,21,蛇的骨骼为索状结构，具有超多的自由度，能够展现出多种运动方式和操作姿态。,广泛的地理分布和悠久 的进化历史，充分证明 了蛇这一种群的适应性 和在运动上的优越性。,22,骨骼,头骨,脊骨,肋骨,23,对于大多数蛇，脊骨运动的范围是很小的，大约为水平10 20，垂直为2 3。在这样小的运动幅度下，蛇能够灵 活运动的关键因素是什么？,数百块椎

5、骨和肋骨,蛇的典型运动大致分为以下四类：,蜿蜒运动,伸缩运动,直线运动,侧向运动,24,大多数在陆上和水 中生活的蛇都采用 这种运动方式。,25,蛇沿着垂直表面伸展头部和身 体前部，然后利用腹鳞找到一 个抓点。为了能够抓牢，在 身体后端抬起时，它将用来抓 住表面的身体中部聚成一条很 紧的曲线，然后再次弹射，利 用鳞片找到一个新的抓点。,26,上下而不是 左右方向做 曲线运动,27,在阻力点很少的 环境中，蛇可以 利用侧向运动,28,蛇 形 机 器 人,狭长管道,凸凹不平地面,重心低,与地面接触点多,运动稳定性高,环境适应力强,狭小空间,用松途软？表面,29,蛇形机器人按驱动原理不同可以分为以下

6、几类：关节串联的平面运动蛇形机器人 关节电机正交连接的三维蛇形机器人差动和偶合驱动的三维蛇形机器人 并联驱动蛇形机器人绳索驱动蛇形机器人,30,ACMIII蛇形机器人,上海交大蛇形机器人,31,国防科大蛇形机器人,上个世纪七十年代，日本东京工业大学的广濑茂男教 授就已经开始了蛇形机器人的研究。广濑茂男教授于 1972年研制了第一台蛇形机器人ACMIII。,CMU蛇形机器人,勘查者-I,32,卡耐基梅隆大学（CMU）,研制的样机，其结构为10 节，20个自由度。,中科院沈阳自动化所研 制的蛇形机器人“勘查 者-I”，其结构为8节，16个自由度。,ACM-R3,ACM-R5,33,基于差动原理设计

7、了具有 大力矩、具有三维运动的 蛇形机器人ACMR3。,基于偶合驱动原理开发 了水陆两栖的蛇形机器 人 ACMR5。,并联驱动蛇形机器人,34,该机器人采用并联机构驱动，能够实现伸 缩运动，具有30个自由度的蛇形机器人。,GMD两代蛇形机器人,德国GMD研制的采用绳索驱动蛇形 机器人，该机器人具有较好的柔性。,35,在生物蛇的四种典型运动形式中，蜿蜒运 动是运动效率最高、最常见的运动形式。,36,：为运动波的初始弯角s：蛇体沿蛇形曲线方向的位移,37,沿蛇形曲线的蛇体运动可以看作是基于谐波振动的方式进 行收缩与松弛运动的结果，依靠改变蛇形曲线的幅值、相 差、频率，实现机器人的运动和变方向。,连

8、杆蛇形机器人模型,38,运用微分几何方法，通过映射变换把蛇形 机器人变成标准的非线性系统进行控制。,蛇形机器人运动学模型,对带有被动轮的刚性连杆结构的蛇形机器人建立系统的拉 格朗日动力学方程，利用拉格朗日乘子把非完全运动学约 束带入动力学方程进行降阶,实现加速度控制。并利用李亚 普诺夫稳定性定律，建立其反馈控制律。,39,n 连杆蛇形机器人模型,用牛顿-欧拉方法建立蜿蜒运动的蛇形机器人动力学 正反方程。并可以进行有侧向位移的爬行运动分析。建立以最大轴线方向位移、最小侧向位移、最小力 矩输出为参数的综合指标。,40,动物的节律运动是其低级神经中枢的自激行为，是由中枢 模式发生器（Central

9、Pattern Generator，CPG）控制的。中枢模式发生器是一种能够在缺乏有规律的感知和中枢控 制输入的情况下，产生有节奏模式输出的神经网络。,CPG控制优点,41,减少产生节律运动的计算量,自动适应未知环境,蛇形机 器人,多冗余自由度,多自由度,多关节,搜救、侦查等,行星表面探测,柔性机械手臂,管道机器人,42,鱼的身体结构和运动特点 鱼类游动方式及推进机理 仿生机器鱼的发展史仿生机器鱼的优势及应用前景,43,纺锤形体或扁 平形流线体,44,尾鳍：提供前向游动 的主要动力中间鳍：平衡作用对鳍：起到转弯和平 衡的作用。,喷射式：由身体内部的特殊部位向后挤压水流产生后向 推力，利用动量守

10、恒原理推动身体前进。,45,MPF推进方式：主要利用除了尾鳍之外的一些鱼鳍划动 向前推进，如胸鳍、腹鳍、臀鳍、背鳍等。,BCF推进方式：主要利用鱼的身体后半段和尾鳍协调摆 动前进。又可分为鳗行式，鳟行式和鲉行式。,鳗行式：前进单位距离所需推力最小,鳟行式：在速度、加速 度及操控性有最好的平 衡能力,鲉行式：在快速运动中最为高效,46,卡门涡街：在有流速流场里的非流线型物体，会沿来流的方向在其后面形成一连串交错而反向的尾涡。,BCF推进方式中摆动尾鳍后同样有尾涡串的存在，但和卡 门涡街恰好相反，称为反卡门涡街,反卡门涡街喷流,推力,47,一个摆动周期产生反卡门涡街的过程：,尾鳍先以 摆动造成 一

11、个大涡 流,迅速的顶端 摆动造成一 个相反方向 的涡流,下摆之后的 尾鳍使两个 涡流相遇,相供的两个 涡流形成一 柱强力的向 后喷流，并 相互减弱,鱼类之所以能造成如此高效率的推进力量，是由于来自尾鳍整 合背后涡流的方式。,48,(b)改进版,(a)世界上第一条机器鱼1994、MIT海洋工程系、长约1.2米，2843个零件、6个驱动电 机，仿金枪鱼，,49,VCUUV,50,1998年，在改进版之后推出了最高版VCUUV。仿金 枪鱼设计，长约2.4米，重300磅，其最大摆动频率 1.5Hz，在1Hz时具有最大游动速度1.25米/秒。,(a)UPF-2001,日本、UPF-2001，长0.97米

12、，2关节，最大摆动频率12Hz，最大游动速度0.97米/秒、三维运动功能,(b)机器鳗鱼美国东北大学海洋、形状记忆合金,51,(a)三菱公司机器鱼,(b)玩具机器鱼,人工肌肉,52,日本三菱公司、金色鲤鱼外 形机器人，长1米，重17千克，游速达0.4米/秒,2002年日本、玩具机器鱼，用人工肌肉材料驱动,(a)北航的机器海豚,(b)北航机器鱼SPC,北京航空航天大学、模 仿海豚、长0.89 米，重 0.8千克，无线遥控、速 度0.2米/秒,53,长度为2.5米，具有4节速度和10公里航程,实现深度感知 自由潜伏深度保持等,54,推进效率高,机动性好,噪声低，隐蔽性高,体积小、重量轻,可采用多种

13、驱动方式,事侦察仿生下救捞推进洋生物观察器的 优点考古,常规推进方式的缺点:,55,军 能源利用率低;,结构尺寸和重量大;,水 对环境扰动大;,噪声大;,海 动密封性和可靠性差;,起动和加速性能差;运动灵活性差;隐蔽性差.,四足机器人 管道机器人 绳索机器人,56,四 足 机 器 人,两 足 机 器 人,六 足 机 器 人,承载能 力强,稳定性 好,结构简 单,57,纵向行走,横向行走,58,斜向行走,转弯,59,60,四足机 器人,海底探测,矿山开采,星球探测,军事运输,61,管 道 机 器 人,工业,石油天然气,军事装备,行进,定位,负载,密封,应用领域,62,自身功能,管道机器人是一种可沿细小管道内部或外部自动行走，能进行一系列管道作业的机电一体化系统。,履带式,轮式,螺旋式,腿式,顶壁式,管道机器人工作,63,的环境比较特殊，管道的形状各样，,因此驱动方式多 样化。,64,特点：惯性小、结构简单、拆装容易及有效载荷与自重比高 等优点。,65,管道机器人已经广泛的应用在汽车工业、桥梁建筑、货物装 卸及海底打捞等方面。,谢谢！,66,