1、內(nèi)容簡介兩棲機器人的研究背景兩棲仿生機器人分類蠑螈機器人原理兩棲機器人設(shè)計要點 兩棲動物作為最原始的陸生脊椎動物, 是脊椎動物進化史上由水生到陸生的過渡類型 , 既有從魚類祖先繼承下來的適應(yīng)水生生活的性狀, 又有適應(yīng)陸地生活的新性狀.在地球上, 除了格陵蘭島以外, 其它任何地區(qū)都有兩棲動物, 因此具有很強的環(huán)境適應(yīng)能力。 受兩棲類動物的啟發(fā), 人們對既能適應(yīng)陸地和近海灘涂的多變地形, 又能適應(yīng)復(fù)雜水環(huán)境的兩棲機器人。 自然 界中具有良好兩棲適應(yīng)性的蟹、龜、蛙、鱷魚、企鵝、蠑螈等動物為兩棲機器人設(shè)計提供了生物原型。 根據(jù)運動方式不同, 目前的兩棲機器人大致可以分為兩類 腿式兩棲機器人蛇形兩棲機器

2、人 龍蝦作為一種在海底生活了數(shù)百萬年的生物, 已經(jīng)進化出了一套完美的系統(tǒng)來進行感知、搜索、運動控制和湍流處理.布魯克林大學(xué)的神經(jīng)生物學(xué)家針對龍蝦在海洋湍流環(huán)境下具有銳的嗅覺功能這一特點構(gòu)建了自主水下機器人:探索龍蝦的嗅覺跟蹤機理及應(yīng)用. 水雷對于海軍來講無疑是一種巨大的威脅. 由于淺水區(qū)水雷數(shù)量大、傳統(tǒng)掃雷車無法作業(yè)、亂流和泡沫影響探測等原因,水雷探測在這種區(qū)域變得更加困難.蛇的典型運動方式2)伸縮運動 身體收縮成S形, 前部前伸, 后部收縮,循環(huán)向前運動, 類似手風(fēng)琴的收縮與伸張當運動空間狹小或者地面摩擦系數(shù)不滿足蜿蜒運動要求時采用伸縮運動, 但運動效率低;1)蜿蜒運動 借助身體側(cè)面接觸凸凹

3、不平的地面所產(chǎn)生的力前進, 身體各部分形成相似的S形運動軌跡, 是最普通、最高效的一種運動方式。3）側(cè)向移動從頭部開始, 身體部分順次接地、抬起, 完成前進運動, 身體和地面只有很少的接觸點. 在沙地環(huán)境中運行時, 滑動摩擦阻力小, 因而運動效率高, 是一種很好的適應(yīng)沙漠環(huán)境的運動形式。4) 直線運動靠腹部和地面的摩擦力進行驅(qū)動, 部分點與點之間有相對運動, 適于笨重的蛇類運動. 東京工業(yè)大學(xué)研制了一種兩棲蛇形機器人ACM-R5 , 它不僅能在陸地爬行, 還能在水中游動。它由一系列關(guān)節(jié)組成, 每個關(guān)節(jié)有兩個自由度, 為了使關(guān)節(jié)防水, 每個關(guān)節(jié)都由伸縮膜覆蓋,關(guān)節(jié)連接處用O 型圈密封, ACM-

4、R5采用模塊化設(shè)計, 所有關(guān)節(jié)具有相同的結(jié)構(gòu), 并通過CAN 總線通信, 這種模塊化的設(shè)計不僅節(jié)約了設(shè)計和加工成本, 而且當有關(guān)節(jié)出現(xiàn)故障時,只需用另一個關(guān)節(jié)替換故障關(guān)節(jié)即可, 大大方便了機器人的維護. 到目前為止,腿式和蛇形機器人各有其優(yōu)缺點:231 實際環(huán)境適應(yīng)能力：蛇形機器人實際環(huán)境中的泥濘、荒草、樹枝等不確定因素可能使被動輪的作用降低, 甚至失效, 嚴重影其運動能力.腿式兩棲機器人比蛇形兩棲機器人具有更好的實際環(huán)境適應(yīng)能力.1)兩棲運動能力：傳統(tǒng)的腿式機器人必須改進腿部機構(gòu)的機械設(shè)計和運動方式;蛇形兩棲機器人每個關(guān)節(jié)至少應(yīng)有兩個自由度, 這就增加了物理實現(xiàn)上的難度. 應(yīng)用范圍和維護：當

5、腿式機器人內(nèi)部出現(xiàn)故障時, 往往需要整體拆裝來查找故障原因, 不利于維護,蛇形兩棲機器人由于其特有的細長體結(jié)構(gòu), 可以在狹小空間內(nèi)自由活動, 且采用模塊化設(shè)計，便于維護設(shè)計兩棲機器人要解決的問題welcome to use these PowerPoint templates, New Content design, 10 years experience 1)水陸兩棲復(fù)合推進系統(tǒng)建模. 生物體在億萬年的進化歷程中已經(jīng)獲得了精細的肌體結(jié)構(gòu)和巧妙的神經(jīng)控制來與環(huán)境相適應(yīng), 兩棲機器人要具有像兩棲動物一樣的靈活性和適應(yīng)性, 那么其運動學(xué)和動力學(xué)模型必定與常規(guī)機器人有較大差別。系統(tǒng)建模時, 應(yīng)將仿生

6、原型的形態(tài)參數(shù)和運動參數(shù)與實際機電系統(tǒng)的物理約束相結(jié)合, 在滿足實際應(yīng)用需求的基礎(chǔ)上盡量簡化推進模型, 實現(xiàn)機構(gòu)的可控性。兩棲機器人未來要解決的問題welcome to use these PowerPoint templates, New Content design, 10 years experience 2)兩棲復(fù)合推進機構(gòu)設(shè)計與實現(xiàn). 機器人在陸地和水中的推進方式有很多種, 其運動原理各不相同, 且各具優(yōu)缺點, 如輪式推進結(jié)構(gòu)簡單、控制方便,但地形適應(yīng)能力差; 腿式行走雖有較好的地形適應(yīng)性, 結(jié)構(gòu)和控制卻相對復(fù)雜; 拍動方式在水中效率高, 但不能應(yīng)用于陸地移動. 考慮到機器人空間大小

7、、運動控制的復(fù)雜程度以及穩(wěn)定性等因素, 在設(shè)計兩棲機器人推進機構(gòu)時, 應(yīng)盡量避免在水陸環(huán)境中分別使用兩套不同的推進機構(gòu), 而應(yīng)該采用適用于水、陸兩種環(huán)境的復(fù)合推進機構(gòu), 通過采用復(fù)合機構(gòu)的不同運動形式和控制方法實現(xiàn)水中和陸地推進.兩棲機器人未來要解決的問題3)兩棲復(fù)合推進機構(gòu)的運動控制與優(yōu)化. 兩棲動物之所以具有卓越的運動能力, 不僅在于它們具有靈巧的身體結(jié)構(gòu), 更重要的是其能夠根據(jù)周邊環(huán)境、自身狀態(tài)以及運動要求等, 產(chǎn)生各種運動模態(tài)下最優(yōu)的控制參數(shù), 使各個身體機構(gòu)完美地協(xié)調(diào)和配合, 因此, 必須在兩棲機器人系統(tǒng)模型的基礎(chǔ)上, 探索有效且容易實現(xiàn)的運動控制和優(yōu)化方法, 如能產(chǎn)生節(jié)律運動的CP

8、G 等方法, 實現(xiàn)兩棲機器人直行推進、上升下潛、轉(zhuǎn)彎、避障等運動模態(tài)的控制, 并通過在線參數(shù)調(diào)整克服兩棲環(huán)境諸多干擾和不確定因素等對機器人運動的不利影響.兩棲機器人未來要解決的問題welcome to use these PowerPoint templates, New Content design, 10 years experience 4)水陸運動模式自主切換機制.：兩棲機器人活動時,要求其運動模式頻繁切換. 當環(huán)境變化時, 步態(tài)要在一瞬間完全變化 ,而且要不停地適應(yīng)新的環(huán)境. 當采用復(fù)合推進機構(gòu)時, 步態(tài)的變化意味著從一組控制參數(shù)切換到另一組參數(shù), 但是如果直接切換控制參數(shù), 有可能

9、引起機器人運動機構(gòu)的劇烈振蕩, 破壞機器人的穩(wěn)定性, 因此, 要有中間控制參數(shù), 保證步態(tài)切換平穩(wěn)進行,機器人從某一運動模態(tài)快速、平滑地切換到另一運動模態(tài). 但是, 由于步態(tài)切換時運動機構(gòu)所處的狀態(tài)并不確定, 中間參數(shù)不能預(yù)先設(shè)定, 因此要求機器人的控制方法能在線自動產(chǎn)生中間參數(shù).兩棲機器人未來要解決的問題welcome to use these PowerPoint templates, New Content design, 10 years experience 5)信息感知與融合. 兩棲動物能在水陸環(huán)境自由地活動, 一定程度上在于其具有豐富的感官來感知外界環(huán)境及自身信息, 并將多種信息

10、進行融合, 對應(yīng)采取的運動模態(tài)做出相應(yīng)的判斷和決策, 對運動參數(shù)做出調(diào)整. 同樣, 為了實現(xiàn)兩棲機器人自主或半自主控制, 機器人必須具備一些基本的功能, 如溫度監(jiān)測、障礙物探測、水中深度測量; 為了進一步實現(xiàn)智能控制, 還應(yīng)具有速度、傾角、位置、障礙物距離等信息的探測功能。兩棲機器人未來要解決的問題welcome to use these PowerPoint templates, New Content design, 10 years experience 6)原型系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā). 設(shè)計兩棲機器人, 要解決防水問題, 目前, 兩棲和水下機器人采用的防水方式主要有兩種: 機構(gòu)密封和包裹密封.

11、 設(shè)計兩棲機器人原型系統(tǒng)時, 應(yīng)盡量采用機構(gòu)密封的方式, 或以機構(gòu)密封為主。 兩棲機器人活動范圍廣, 運動模態(tài)多, 所需的能量消耗也很大，電池容量應(yīng)該既能充分滿足運動需求, 又不大幅增加能耗負擔(dān)和機械設(shè)計難度。 兩棲機器人在水下活動時通過電纜和水面中繼通訊, 中繼通過無線方式和控制中心通訊，水下通信技術(shù)有待突破。 作為兩棲類動物，蠑螈非常類似于地球上第一個陸地棲息的脊椎動物。研究人員首先采用電腦模擬像七鰓鰻這樣的動物的脊錐，然后給其肢翼加上行走功能。之后，根據(jù)蠑螈的身體構(gòu)造仿制出一根長長的脊錐，并在機器人上安置人工神經(jīng)元，這些人工神經(jīng)元完全模擬脊椎動物的脊錐神經(jīng)元，可對來回移動起關(guān)鍵作用。ii

12、和riiRv和iijixLGTG和蠑螈機器人的不足和未來改進 目前的模型的一個主要局限是，它基本上只能進行平面的運動。身體單元在垂直面不能積極彎曲，因此只有非常有限的能力去越過障礙。 在實際應(yīng)用中使用的機器人還需要在機器人的控制器的改進，例如，對環(huán)境自動適應(yīng)步態(tài)及其參數(shù)。 目前該機器人能源消耗的測量能力是相當有限的。更精確的測量系統(tǒng)將會有利于不同步態(tài)能源效率的比較。 增加更多的感官能力：雙目攝像機系統(tǒng)，水檢測傳感器，慣性測量單元。繼續(xù)研究感官反饋在模式生成中的作用，能源消耗和成本模型（比較最優(yōu)的速度和效率），對蠑螈運動行為的豐富性研究（如向后行走，水上行走，劃的運動，抓的動作等）。 它還能以每小時32公里的速度在最高30度角的斜坡上滾動。 它重量僅為25千克，上面裝有攝像機，方便遠處的操控者觀察前方情形。 球形的設(shè)計則能保護機器人內(nèi)部，沙子和危險氣體無法進入其中，損壞電子設(shè)備。 它由可充電電池供電，續(xù)航時間根據(jù)任務(wù)的不同而從8小時到16小時不等，充電則要