首页_长安注册_长安娱乐_首页
首页_长安注册_长安娱乐_首页
全站搜索
文章正文
首页:「长安注册」:首页
作者:an888    发布于:2022-10-29 16:21    文字:【】【】【
摘要:首页:「长安注册」:首页o 张志刚王 硕 桑海泉 1中国科学院自动化研究所2复杂系统与智能科学实验室 [摘要] 机器人技术的一个重要应用领域是在娱乐方面。在对鱼类游动方式深入

  首页:「长安注册」:首页o 张志刚王 硕 桑海泉 1中国科学院自动化研究所2复杂系统与智能科学实验室

  [摘要] 机器人技术的一个重要应用领域是在娱乐方面。在对鱼类游动方式深入研究的基础上,将仿鱼水 下推进技术应用于玩具设计,给出了一种仿生机器鱼玩具的机构设计方案及系统的设计、仿真软件,并研制出 可在水中运动的仿生机器鱼原型。 [关键词] 仿鱼推进;仿生机器鱼;玩具 [Abstract]Amusementisanimportantfieldforroboticsapplication.Basedontheresearchoffish swimming,fish-likeswimmingtechnologyisusedintoydesign.Amethodforrobotfishtoymechanical andsystemdesignarepresented.Simulationsoftwareisdeveloped,andprototypeofrobotfishtoy ismade.

  仿生机器人是当前机器人领域的研究热点。 大自然的选择使地球上的鱼类具有非凡的水中生 活能力,由于游动具有效率高、机动性能好以及对 环境扰动小等优点,仿生机器鱼技术的研究已成 为当前水下机器人领域研究的热点之一。它为研 制高效、高机动性和低噪声的水下运载器提供了 新的设计思路。

  1994 年美国麻省理工学院(MIT)成功研制 了一个电机驱动的 8 关节新月形对称尾鳍的机器 金枪鱼 RoboTuna,开启了机器鱼研制的先河,其 后多个研究单位都开始了机器鱼的研究与研制, 如:日本运输省船舶研究所(SRI)研制了 PF 系列 和UPF系列机器鱼,国内北京航空航天大学研制了 5 关节机器海豚等。当前机器鱼研制的主要发展 方向有:1 )人工肌肉、压电陶瓷等新材料的

  应用;2 )先进控制方法与高性能控制器的应 用;3 )多传感器集成的智能机器鱼的研制;4 ) 多机器鱼的协调与协作。

  随着机器鱼技术的发展,新型的仿生机器 鱼可广泛应用于以下领域:1)要求机动性能高的 场合或空间狭窄、环境复杂的场所。如管道检测 等;2)海洋生物观察。由于机器鱼形状和游动方 式与鱼类相似,运动噪音小,利于接近和观察海 洋生物;3)水下探测。如珊瑚礁群,沉船内部等 环境复杂,常规潜水器难以到达的场所;4)军事 应用。如军事侦查,小型武器以及无人潜艇等; 5)娱乐方面。如科技馆和水族馆的展览,智能玩 具等。

  市场前景很好。各玩具厂商也纷纷把各种高 效益的机器人玩具推向市场,如著名的日本 SONY 公司的机器狗 AIBO 等。

  [ 作者简介] 张志刚:男,2 3 岁,中国科学院自动化研究所,复杂系统实验室,硕士。研究方向:机器鱼控制。 王硕:男,2 9 岁,助理研究员。研究方向:多机器人系统,仿生机器鱼。 桑海泉:男,2 6 岁,博士。研究方向:多机器鱼控制与协调。

  传统的机器人作为一种玩具已经大量进入市 场,各玩具厂商纷纷推出各种新型的机器人玩具, 如日本 SONY 公司著名的机器狗 AIBO,机器鱼作为 一种新型的机器人玩具正在悄然进入市场,如日本 三冷菱重工业公司新近推出的金色鲤鱼外形机器鱼 在东京展出供人观赏;日本大阪几家公司用高分 子材料的“人造肌肉”做成的机器鱼已投放市场。 各种类型的机器鱼作为新型的娱乐机器人已经开 始在玩具市场上崭露头角。

  本文以尾鳍推进方式鱼类为仿生原型,以机 电系统实现机器鱼的驱动,根据不同的鱼类的身体 特点对仿生机器鱼进行数字化设计,给出了一整套 的小型玩具机器鱼的机构、控制系统的设计方法, 编制了机器鱼的设计软件。利用此软件,设计者可 以根据不同鱼类的身体特点进行参数的自定义,设 计出各种各样的仿生机器鱼,该设计软件还提供 了机器鱼的游动仿真功能。

  本文主要从鱼类游动方式的数学建模、机器 鱼结构设计与优化以及仿生机器鱼游动与控制仿 真三个方面进行阐述,最后给出仿生机器鱼的具 体实现。

  3.2鱼类物理模型及其特征参数 虽然鱼类的种群繁多,但大多数鱼类的推进 部位显示出相似的形态学特征。 鱼类属于脊椎动物种群,其身体的构造是由多 根脊椎骨相互连接而成,采用尾鳍推进的鱼类在游 动时通过其脊椎曲线的波动产生推进力,因此鱼类 的身体可以看作为由一系列的铰链连接而成的摆动

  链组成,图 2 中用 4 个铰链来简化其摆动部位。 鱼类游动的仿生主要是在研究鱼类的波动推进

  理论的基础上,对鱼类游动方式进行仿生,主要 仿生鱼类的摆动部位的波动方式。因此,我们在 对鱼类身体摆动部位的结构进行简化的基础上, 从鱼的静态身体特征和动态游动特征来提取特征参 数,建立其数学模型。

  鱼类与游动特征相关的主要身体特征参数有: 1 )摆动部分长度占身体总长度的比例(r )。 根据 r 由大到小可以把鱼类分为鳗鲡科(如鳗鲡、 黄鳝、泥鳅等)、鲹科(如鲑鱼、草鱼、鲢鱼等)、 鲔形科(如大白鲨、金枪鱼等)等。

  2 )摆动部分简化关节数(n )。摆动关节 数 n 越大,其身体的游动灵活性越高。

  3 )摆动关节各个关节之间的长度比例(l 1 : l 2:......:l )。关节长度相对短的部位,其关节 密集度较高,此处柔性比较大。

  4 )尾鳍的形状(圆形尾鳍、梯形尾鳍、 新 月 形 尾 鳍 以 及 不 对 称 尾 鳍 )。 如 海 豚 为 新 月 形尾鳍,鲨鱼多为不对称尾鳍,草鱼为梯形尾鳍 等。

  3.3鱼类游动的运动学模型及特征参数 鱼类在动态游动过程中,按照波动推进理 论,通过身体的波动,身体波动的形式决定了鱼 的游动性能和游动效率。决定鱼类游动的波动方 式的最主要参数是鱼类身体中心线的波动方程。 研究人员对各种采用身体波和尾鳍推进方式的鱼类 进行了研究,发现这些鱼类的身体波曲线可以用 一个波动方程来表示:

  这里,ybody 为鱼身体横向摆动的幅度;x 为沿 着鱼体的纵向位置坐标;k=2/ 为鱼摆动的波长倍 数,即鱼在摆动过程中身体上保留整个波长的个 数;为身体波的波长;c1 为振幅的线 为 振幅的二次增益;为身体波的频率。

  2.4机电系统在仿生机器鱼设计中的限制 1 )驱动电机的几何尺寸:决定了设计过程 中的关节最小尺寸。 2)驱动电机的转动角度范围:决定了每个关 节的摆动范围。 3 )驱动电机的转动力矩要求:决定了电机 能否应用于实际,是选择驱动电机时首要考虑的

  动 方 程 进 行 摆 动 ,由 于 机 器 鱼 是 由 多 个 僵 硬 的 连 杆 铰 接 组 成 ,为 实 现 波 动 运 动 ,每 个 关 节 点 必 须 在 理 论 曲 线 上 。关 节 点 对 理 论 曲 线 的 匹 配 过程如图 3。当前关节与前一关节的延长线在 连接处产生一个夹角,骨架的运动就是在驱 动电机带动下,通过改变夹角的值来产生运 动。

  由于关节数目有限,机器鱼整个身体的运 动比较生硬,不能产生平滑的过渡,这在水中 游动时将产生多余的水动力学阻力,降低机器 鱼的游动效率。为此我们在进行机器鱼模型设 计时需要在机器鱼的骨架外侧安装弹性的鱼皮, 以增加鱼身体的柔性,使关节间的摆动角度在 弹性鱼皮上实现连续的过渡。通过弹性鱼皮对 关节摆动角度的连续过度,行到了较为平滑的机 器鱼实际身体中心线机器鱼身体波理论曲线参数优化 为了最大限度地体现理想波动曲线 机器人技术与应用

  优越性,使实际中心线与理论中心线之间的误差 尽可能的小,需要对机器鱼的多个关节的机构尺 寸进行参数优化。

  惩罚函数法通过构造惩罚函数把有约束优化 问题转换为无约束优化问题,采用坐标轮换等方 法实现对无约束优化问题的求解,实现对有约束 问题的参数优化。通过对关节结构尺寸的优化, 得到按照波动方程ybody(x,t)进行游动的仿生机器 鱼的最优一组结构尺寸参数。

  3.7参数的输入与输出 设计的输入参数有: 1) 与机器鱼结构相关的静态参数有:机器 鱼关节数 n,摆动部长度占身体总长度的比例 r, 摆动各关节之间的长度比例l1:l2:......:ln。 2)与游动类型相关的动态参数有:身体波的 波动方程(1 )中的各个参数 c 1、c 2、k 1、k 2 。 3) 机电系统的限制参数:各关节最小长度 li-min,各关节驱动电机的转动角度范围。 4)其他参数:一个周期内的数据采样次数 m。 设计结果的输出量有: 1) 一个周期内每个关节位置的位置坐标; 2)各位置与前一位置间的角度变化量,以供 控制直流驱动电机摆动角度用; 3) 设计过程中的各种分析图表;

  3.仿生机器鱼的运动仿线(a)给出了一个基于鲹科鱼类设计的摆动 轮廓图。此设计方案中,关节数 n=4,摆动部占身 长比例 r=0.6,波长倍数 0.6 ,各关节长度比例 为 1:0.93:0.76:0.61,摆动的曲线方程为:ybody= [0.05x+0.09x2][sin(0.5x)],周期采样数 m=18。 其仿线(b)。

  由于鱼类在转弯时主要是由身体的中心线和 推进力的方向有一定夹角,故通过对机器鱼摆动 部的各个关节叠加同一个方向的偏移量,改变推 进力的方向,从而实现运动中转弯的目的。

  下面给出一种按照上述设计方法和设计软件 设计的机器鱼的一个实现方案,原理如图 6(a) 所示:

  该机器鱼的设计以鲹科中草鱼为设计原型, 由 4个关节组成,由4 个直流伺服电机驱动,新月形 尾鳍,主要由以下几部分组成1)鱼骨架(驱动电机、 联接架、鱼头、尾鳍等),2)控制系统,3)无线数 传模块等。机器鱼的实物如图 6(b)所示:

  该机器鱼的结构与性能参数为: 尺寸(长×宽×高)mm400 × 40 × 78 重量0.8Kg 最大摆动频率2Hz 最大速度0.4m/s 最小转弯半径200mm

  该机器鱼采用无线遥控方式控制机器鱼的运 动,为机器鱼设计了无线遥控器,可以选择自动 游动方式或手动控制运动方式。机器鱼可以实现 直线游动、游动转弯、变速游动等。也可在计算 机的控制下完成更为复杂的动作,如机器鱼顶 球、过孔、多鱼戏球等。

  [1]MichaelSfakiotakis,DavidM.Lane,J.Bruce,C. Davies.ReviewofFishSwimmingModesforAquatic Locomotion[J].IEEEJournalofoceanicengineering. Vol24NO.2.Appril1999 [2]Triantafyllou,MichaelS.andGeorgeS. Trianatafyllou.AnEfficientSwimmingMachine[J], ScientificAmerican,March1995,pp.64-70 [3]HirataKoichi.2000.Developmentofexperimental fishrobot[A].SixthInternationalsymposiumonMa- rineEngineering[C].p.711-714 [4]M.S.Triantafyllou,G.S.Triantafyllou,DKP Yue.HydrodynamicsofFishlikeSwimming[J].Annu. Rev.FluidMech.2000,32:33-53 [5]DavidBarren,MarkGrosenbaugh,Michael Triantafyllou.TheOptimalControlofaFlexibleHull RoboticUnderseaVehiclePropelledbyanOscillating Foil[J].0-7803-0/9655.00@1996IEEE [6]DurhamNH.TheVorticityControlUnmannedUnder- seaVehicle(VCUUV):AnAutonomousRobotTuna[DB/OL]. http://www.draper.com/pubns/digest2000/paper6.pdf [7]KennechAMcIsaac,JamesPOstrowski.AGeometric ApproachtoAnguilliformLocomotion:Modellingofan UnderwaterEelRobot[J].Proceedingsofthe1999IEEE ConferenceofRoboticsandAutomationpp.2843-2848 [8]KarenAHarper,MatthewDBerkemeier,Sheryl Grace.Modelingthedynamicsofspring-drivenoscil- lating-foilpropulsion[J].IEEEJournalofoceanic engineering,VOL.23,NO.3,JULY1998,pp285-296 [9]KoichiHirata,SyusukeKawai.PrototypeFish RobotUPF-2001[DB/OL].2001.http://www.nmri.go.jp/ eng/khirata/fish/experiment/upf2001/index_e.html [10]梁建宏,王田苗,魏洪兴.水下仿生机器鱼的研究进 展I——鱼类推进机理[J],机器人.P107-P111.2003-3 [11]梁建宏,王田苗,魏洪兴.水下仿生机器鱼的研究进 展II——小型实验机器鱼的研制[J],机器人.P107-P111. 2003-5,P234-P238. [12]童秉纲.鱼类波状游动的推进机理[J].力学纵横.第 3期.P69. [13]刘军考.仿鱼水下推进器理论与试验研究[D].哈尔 滨:哈尔滨工业大学,2001. [14]LighthillM.J.Noteontheswimmingofslender fish[J].J.FluidMech.1960,vol.9:305-317.][15] D.S.Barret,M.S.Triantafyllou,D.K.P.Yue,M.A. GrosenbaughandM.J.Wolfgang,Dragreductioninfish likelocomotion[J].J.FluidMech.392(1999)183-212.

相关推荐
  • 首页‘长安注册
  • 首页:「长安注册」:首页
  • 长安注册-挂机怎么操作
  • 首页/长安注册/登陆
  • 首页-长安注册
  • 长安平台长安注册代理开户
  • 首页!长安娱乐!首页
  • 首页%『长安注册』%首页
  • 首页,长安注册挂机
  • 首页_[长安注册]_首页
  • 脚注信息
    友情链接: 游乐设备