关于仿生机器蟹的研究.docx

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关于仿生机器蟹的研究

关于仿生机器蟹的研究

学院：

机电学院

班级：

11008008

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关于仿生机器蟹的研究

仿生机器人因为具有较好的可靠性、适应性以及强大的功能，正日益成为科研工作者研究的热点。

近年来,为适应环境或军事需要,微小型机器人、仿生机器人、步行机器人都得到了长足的发展.随着微电子机械系统技术（MEMS）、高密度信息处理技术、集成控制技术的飞速发展,微小型机器人以其隐蔽性强、功耗小、成本低廉、便于大量部署的优点正日益成为执行高危险军事任务的理想平台。

其中微小型仿生多足步行机器人以其高机动性的特点,成为军用机器人开发研究的热点。

蟹结构小巧、运动灵活、对不平路面适应力强,因此是研究水、陆两栖全方位、高灵活步行机理想的生物模型。

步行机器人属于多输入、多输出、非线性的复杂结构,在仿生机器蟹运动学研究方面,大多只对单腿进行串联结构的运动学分析,对整个步行机每一瞬时的运动学分析,目前尚缺少完整的论述,本文考虑步行机每一瞬时各腿运动情况不同,分别建立相应的运动学方程,即对抬起腿作串联机构分析,对着地腿与躯体形成的机构作并联机构分析,实现较完善的运动学分析.并对分析结果进行了仿真验证。

一、螃蟹的行走原理：

螃蟹具有8足步行机特征,在行走过程中,每条腿都是抬起和着地两种状态交替变化,抬起的腿从躯体上看是开链机构,相当串联手臂。

而同时着地的腿与躯体构成并联多闭链多自由度机构.这种行走过程,从机构学角度看就是不同分支并联机构及串联开链机构之间的不断变化的复合型机构.针对这种机构我们采用串并联综合分析的方法,提出运动学算法及计算机仿真验证方法.通过计算机仿真验证了该方法分析结果的正确性,得出了一种用于仿生机器蟹行走过程运动学研究的行之有效的分析方法。

二、仿生系统的构成：

两栖仿生机器蟹作为一个两栖环境下高技术仪器设备的集成体[3J，是一个非常复杂的机器人系统。

为了模仿生物原型运动的高效率、低噪声、高速度、高机动性等特点，两栖仿生机器蟹的研究中包含了结构仿生、材料仿生、功能仿生、控制仿生和群体仿生几个方面的内容。

结构仿生：

两栖仿生机器蟹的结构仿生是指通过研究生物原型肌体的构造，建造类似生物体或其中一部分的机械装置，通过结构相似实现功能相近。

由于螃蟹的形体几何参数、组织系统形态及表面构造机理符合流体动力学特性，能很好的适应水生环境，对海浪、海流的具有良好的适应能力，特别是浅滩冲浪能力和隐蔽性都比较突出，尤其适合在崎岖底质、岩石、浅滩、大浪、强海流区域活动，所以把螃蟹作为研制两栖仿生机器蟹的理想生物原

型。

如机器蟹整体的结构仿生,通过对生物原型的观察发现，螃蟹的八条步行足对称的分布在躯体两侧，各关节向下弯，同一侧的步行足排列较为紧凑，如图2.3（a）所示。

步行足的布局设计应该从结构仿生的角度出发，同时为了使两栖仿生机械蟹获得最大稳定性，在整体模型的建立时，步行足采用了类似生物原型的分布形式，如图2.3（b）所示。

材料仿生：

材料仿机器人技术的发展对构建机器人的材料提出了越来越高的要求，一些柔性铰链、柔体机器人的建造需要高强度、高韧性、变形可控的高性能材料。

由此，在机器人领域出现了材料仿生这一研究方向，即从生物功能的角度来考虑材料的设计与制作，通过对生物体材料构造与形成过程的研究及仿生，使材料具有特殊的强度、韧性以及一些类生物特性。

两栖仿生机器蟹的密封方案设计中，密封外衣作为两栖仿生机器蟹最终的体表材料，对原理样机水下运动的性能起到了重要的作用，因此应该从材料仿生的角度予以考虑。

功能仿生：

功能仿生的目的是使人造机械具有或能够部分实现高级动物丰富的功能，例如思维、感知、运动和操作等，这些在智能机器人的研究中具有重大意义。

目前在两栖仿生机器蟹的研究中已经涉及到的功能仿生包括有感知仿生和运动仿生。

感知仿生：

感知系统是生物体的信息输入通道，对生物体的行动、决策具有重要的作用。

对动物的视觉、听觉、触觉等感知功能的研究，有助于工程问题的解决。

在自主行走机器人系统中，机器人要实现在未知和不确定环境下的行走，必需实时采集环境信息，以实现避障和导航。

这些任务必须依靠能实时感知环境信息的传感器系统来完成。

视觉、红外、激光、超声波等传感器都在行走机器人中得到广泛的应用。

运动仿生：

动物经过亿万年的物种演化，产生了形式多样的运动器官和运动形式，如行走、奔跑、跳跃、爬行、蠕动、游泳、飞行等，使它们的生存范围遍及水下、陆地和空中。

人们通过模仿自然界中动物的运动方式和相应的运动器官，实现机器人的运动功能。

迄今为止，机器人所采用的运动方式主要有:

轮式、履带式、足式、蠕动式、振动冲击式、泳动式、飞行式等。

两栖仿生机器蟹是一个八足步行式机器人，目前己经能够实现生物螃蟹在两栖环境下各种步态平稳的行走、能自主检测及越过或躲避障碍、具有一定爬坡能力。

控制仿生：

为实现两栖仿生机器蟹灵活的、全方位地行走，对其控制系统主要有以下要求

1.多自由度协调控制。

2.反应及时，实时性强，具有综合决策能力。

3.智能化，有较强的自治能力，尽量减少人的干预。

4.易扩展，有增加控制点的能力。

5.提供友好的人机界面。

为了满足机器蟹控制系统的要求，采用分级递阶智能控制系统。

机器人控制系统通常有两种基本的结构形式:

集中结构和分布式结构。

前者的优点是控制直接、有效性高、便于系统分析和设计;缺点是若控制中心有故障，则整个系统瘫痪，可靠性不高。

后者是由主控制器连接若干分布式控制器，每个分布式控制器都有各自的控制对象和目标。

其优点是局部的故障不至于影响全局，可靠性高;缺点是总体控制性能差，全局协调运行较困难。

于是提出分级递阶控制系统，这种系统是由组织级、协调级和执行级组成的，如图所示。

该系统吸收了上述两种结构的优点，其全局与局部控制性能较高，运行可靠。

组织级代表控制系统的主导思想，具有最高的智能水平，在运行过程中可人为干预，通过发送命令信息，可以人为改变机器蟹的行走路径和协作策略。

协调级为组织级和执行级之间的连接装置。

执行级是智能控制系统的最低层次，要求具有最高的控制精度，并由常规控制理论进行控制。

如图所示：

群体仿生：

随着机器人技术的发展，人们对机器人的要求不再局限于单个机器人，对多个机器人组成的系统越来越感兴趣。

不仅是因为有些工作单个机器人无法承担，而且越来越多的事例表明，对于一些动态性强而且复杂的任务开发单个机器人远比开发多个机器人系统复杂和昂贵。

同时，随着机器人生产线的出现及柔性加工工厂的需要，使多机器人系统进行自主作业的愿望越来越强烈。

20世纪70年代，一些机器人学的研究者将人工智能中的多智能体理论应用到多机器人系统的研究中由此开始了机器人领域的多机器人技术的研究。

如果把单个机器人的研究看成摸仿一个人，那么多机器人的研究就是摸仿一个社会群体。

很显然，多机器人系统具有许多单个机器人无法比拟的优越性。

三、仿生机器蟹运动系统能量分析

衡量关节能量变化的指标

仿生机器蟹关节动力学等式可以表示为如下形式:

τ=H（θ）θ¨θ+c（θ,θ.θ）+g（θ）（7）

3.1　平均功率

平均功率是功率分析中的一个重要测量值,它是在假设驱动力矩不做负功的前提下进行计算的,对所有时刻的功率均取其绝对值,对于给定关节j（每条腿有3个关节）,腿i（由于研究的是八足机器人n=8）,机构的功率为电机驱动力矩与关节角速度的乘积,整个运动过程的平均功率由式（8）计算:

Pav=1T∑ni=1∑mj=1∫T0|τi,j（t）·θ·i,j（t）|dt（8）式中:

τ———电机驱动力矩;θ·———相应的关节角速度,优化的目标是功率损耗最小,相应的Pav值应越小越好。

3.2　平均功率偏差

尽管使平均功率最小化是优化的一个重要指标,但是在机构运动过程中,可能会出现瞬时的功率接近无穷大,在这种情况下,平均值可能很小,但瞬时的尖峰是属于不理想的情况,因此,另一个优化目标是关于瞬时功率在平均绝对功率周围分布的标准偏差的估计。

3.3　平均力矩损耗

另外一个优化策略是驱动系统在关节驱动器上的力矩损耗,这个指标由式（11）描述。

PL=1T∑ni=1∑mj=1∫T0（τi,j（t））2dt（11）同样这个指标也是越小越好。

3.4　运动参数与能量损耗之间关系的仿真研究

3.41　仿真研究的实现

对于已规划好的轨迹,利用运动学方程进行逆运动学求解,这样关节转角的变化就与运动学参数β,Ls,Fc,HB以及运动时间t密切相关,再通过动力学的求解,就建立了关节能量变化指标与运动学参数之间的关系。

具体的程序实现框图如图2所示。

3.42　仿真结果

为了得到运动参数与能量损耗的关系,共设计了6组仿真试验,分别是:

占空系数和步长对关节能量的影响仿真试验研究;占空系数和抬腿高度对关节能量的影响仿真试验研究;占空系数和躯体高度对关节能量的影响仿真试验研究;步长和躯体高度对能量的影响仿真试验研究;抬腿高度和躯体高度对能量的影响仿真试验研究;行走方式和能量损耗的关系仿真试验研究。

四、关键技术

仿生机器蟹步行腿结构设计及运动学、动力学分析

初始模型的建立

首先建立仿生机器蟹的机械系统机构模型

如图1所示,仿生机器蟹由机体和8条腿组成,每条腿结构相同,有3个转动关节.为叙述方便,给每条腿编号.经过结构优化,各部分按以下原则确定,根关节转轴Z0方向与竖直方向Yp成45°夹角,根关节轴线Z0与第2关节轴线Z1成90°夹角,2、3关节轴线（Z1、Z2）平行,3段腿节O0O1∶O1O2∶O2O3比例为0.08∶0.42∶0.50,每条腿总长300mm,躯体长180mm,宽135mm,高20mm.。

运动学方程的建立

抬起腿的运动学分析

步行腿结构设计

目前广泛应用于机器人设计开发的驱动设计有:

微型电机（伺服、步进、力矩、直线电机）、形状记忆合金（SMA-ShapeMemoryAlloy）、气动活塞、液压元件、压电陶瓷、超导材料等。

而步行动物关节臂是一个费力的丝杠—滑轮—杠杆机构,一方面它保证了机构的紧凑和运动的灵活性,使得较小的肌肉收缩即可获得很大的输出角位移,另一方面它要求骨骼肌具有很大的张力。

多足步行机器人单足结构简图如图1所示,整个机器人为小型8足结构,该结构具有驱动关节数量多,机体结构紧凑的特点,因此应综合考虑驱动元件的动态性能、功率/质量比、可控性、性能价格比等因素,采用合理有效的驱动方式。

微型电动机的工程应用技术较成熟,产品已实现标准化,性能稳定、驱动方式和相关技术都完善,其本身作为关节驱动器的技术风险较小。

虽然价格相对较高、同等驱动能力下体积较大,但应于高机动能力的步行机器人设计,尤其是对基础项目的研究,有其明显的技术优势。

因此我们设计中采用了瑞士Maxon公司的RE-max13型直流伺服电机以及配套减速器,具体参数如下:

直径:

d=13mm,　　　　　　长度:

L=67mm

额定功率:

P=2.5W额定转速:

19000r/min

输出转矩:

2.86mN·m工作电压:

12V

传动比:

275:

1

广泛应用于步行机器人的传动方式有:

齿轮（包括齿条）传动、绳轮传动、链轮传动、蜗轮蜗杆以及直接驱动等几种,但具体到适用微小型机器人关节驱动的一般只有齿轮和绳轮传动两种方式。

仿造步行生物原型,合理布置伺服电机和选用传动方式,以减小步行腿的结构尺寸,符合腿细长的结构外形要求是电机驱动步行机器人所要解决的关键问题之一。

通过对比可以得出在小空间、传动线路比较简洁的情况下采用齿轮传动的方式具有更多的优势。

我们设计的机器人腿结构如图2所示,联接基节与躯体的关节电机布置与关节轴线方向一致,而用于驱动腿节、胫节的电机布置与腿节平行,通过螺旋伞齿轮的传动,将伺服电机输出的旋转运动减速并改变输出轴方向,使输入输出轴线成90°角。

这样可以减小腿的体积,在总长300mm,最大直径25mm空间内,设置了3个转动关节的驱动、传动器件、关节传感器、足端力传感器等机构。

合理地解决了电机沿腿长度方向分布和关节转轴空间角度的问题,并且体积小、效率高、功能完善。

步行腿运动学分析及运动空间描述

单腿结构参数分析是以腿的几何结构参数的优化对象,分析步行腿在不同工作状态下的运动能力和动力性能。

建立以几何参数为参量的单腿运动学模型,通过分析其对运动能力的影响,得出最优化结果指导机械本体的腿结构设计。

这里采用多环并联机构的几何模型来抽象螃蟹这种多足爬行生物体结构,同时将蟹足的活动分为两种状态:

摆动状态（摆动相）和支撑状态（支撑相）。

支撑相时基体是并联机构的中央构件,地面可作为并联机构的机架,每条腿与地面接触存在摩擦不打滑,可把它视为3自由度的球面副。

当腿处于摆动相时,机体作为机架,腿则成为类似串联操作臂的结构,这里可将机体坐标系作为处于摆动相腿的参考坐标系。

设机体与各腿的连接点为Oi,（i=1,2,…8）,坐标系OiXYZ。

Z0轴过Oi垂直于机体平面方向向上,Y0轴同机体前进方向（考虑纵向爬行时为向前）,X0轴由右手法则确定。

这里采用下关节设置法来建立步行机器人单腿关节坐标系。

腿D-H参数如表1所示。

步行腿动力学分析

推导动力学方程常用的方法有牛顿———欧拉法和拉格朗日法,在这里,我们利用拉格,朗日法来推导如图1所示三自由度步行足的动力学方程,它显示了推导出一个非线性系统的动力学方程的方法。

系统雅可比矩阵表示成下列结构:

式中,JL和JA分别是与第i个连杆重心位置的平移速度相关的雅可比矩阵和与第i个连杆转动速度相关的雅可比矩阵。

五、国内多足仿生机器人的研究概况

相对国外多足仿生领域而言，我国步行机研究的比较晚‘”，，但对松软土壤上的车辆通过性能的研究还是较早的。

吉林工业大学著名的地面车辆系统力学专家陈秉聪在20世纪50年代开始研究，先后研制出塑料镶齿、高花纹、半步行轮、步行轮等非常规行走机构，进行了运动学和动力学分析及田间实验。

我国从20世纪80年代开始研究步行机，并取得了一系列的成果。

近年来，在多足仿生机器人的研究领域取得了很大的进步。

目前有北航、上海交大、北科大、国防科大、东南大学、沈阳自动化所和哈工大等科研院所正在从事仿生机器人的研究。

而对于多足步行机器人的有关理论燕山大学、北京航空航天大学、上海交通大学、沈阳自动化研究所、哈尔滨工程大学等单位都做过深入的研究。

六、存在的问题：

针对国内外多足步行机器人的研究现状，可以发现，目前多足机器人函需解决的研究问题主要有如下几点:

1.多足步行机器人的结构仿生问题:

合理的机构设计是机器人实现仿生的基础，生物的形态经过千百万年的进化，其结构特征极具合理性，而要用机械结构来完全仿制生物体几乎是不可能的，只有在充分研究生物肌体结构和运动特性的基础上提取其精髓进行简化，才能开发全方位关节机构和简单关节组成高灵活性的机器人机构。

2.多足步行机器人在松软地面的通过性及步行足的减粘脱土问题，目前所研制的多足步行机器人在通过松软地面如沼泽，泥地等时将会无法前进。

3.多足步行机器人陷入软土壤或倾翻能否自动恢复正常行驶的问题‘’6J。

4，仿生学控制方面的问题。

机器人的自由度越多，机构越复杂，必将导致控制系统的复杂化。

多足步行机器人研究内容的发展方向未来多足步行机器人的研究方向有如下几个方面:

1）.轮足组合式步行机器人。

足式步行机器人地形适应能力强，能越过大的壕沟和台阶，其缺点是速度和效率均比较低。

轮足组合式步行机器人综合了足式和轮式机器人的优点，具有较强的地形适应能力、较好的稳定性和较高的能量效率。

特别适合在无法确定待探测地表状态的情况下，采用轮足组合式步行机器人可提高步行速度和效率。

2）.微小型步行机器人。

微型化是工业发展的必然趋势之一，是高技术成果的结晶。

日本已研制出外形为8.6rn们以x9.3mm又7.2们以们以的微型行走机器人。

微型步行机器人有广阔的应用前景，如可将数以千计的微型步行机器人散布在星球上进行探测，可在狭小的空间如管道内行走、作业和维修等。

3）.仿生步行机器人。

上海交通大学马培荪教授带领他的学生己经研制出了一种形状一记忆合金丝驱动的微小型六足机器人Iz0]。

目前的步行机器人还远未达到像多足昆虫那样的步行机动性和灵活性，存在步行速度低，效率差等问题。

进一步提高步行机器人的速度和灵活性，充分实现多足步行机器人的优点，是今后研究步行机器人的重点之一。