機器人引論第8章仿生氣器人第8章仿生氣器人8.1仿生氣器人的特點8.2仿生氣器人的爭論概述8.3仿生氣器魚8.4四足仿生氣器人8.1仿生氣器人的特點仿生氣器人是近十幾年來消失的新型機器人。它的思想來源于仿生學，其目的是研制出具有動物某些特征的機器人。仿生氣器人是仿生學的先進技術與機器人領域的各種應用的最正確結合。仿生氣器人是機器人進展的最高階段，它既是機器人爭論的最初目的，也是機器人進展的最終目標之一。機器人分為第零代原始機器人，第一代示教(工業)機器人，其次代感知(遙控)機器人，第三代智能機器人和第四代仿生氣器人。8.2仿生氣器人的爭論慨述8.2.1爭論現狀1飛行機器人飛行機器人即具有自主導航力量的無人駕駛飛行器。其飛行原理分為：固定翼飛行、旋翼飛行和撲翼飛行。固定翼技術已經成熟，但其翼展在200mm以下時缺乏以產生足夠的升力。目前國內外廣泛關注的微型飛行器側重于撲翼機的爭論。它仿照鳥類或昆蟲的撲翼飛行原理，故被稱為“人工昆蟲”。目前對飛行運動進展仿生爭論的國家主要是美國，劍橋大學和多倫多大學也在開展相關方面的爭論工作。圖2是美國加州大學伯克利分校的爭論小組用了4年的時間，基于仿生學原理制造出的世界上第一只能飛行的“機器蒼蠅”。機械蒼蠅2陸地仿生氣器人機械蜘蛛：美國宇航局(NASA)噴氣推動試驗室于2023年12月研制成功的機器蜘蛛Spider-pot，裝有一對可以用來探測障礙的天線，且擁有特別敏捷的腿。它們能跨越障礙，攀登巖石，探訪靠輪子滾動前進的機器人無法抵達的區域。壁虎機器人：目前世界上關于仿壁虎機器人的研制還處在初步階段，真正實現類似壁虎的全空間無障礙運動的機器人還需要時間。機械蜘蛛壁虎機器人：加州大學伯克利分校RobertFull等人研制的能在枯燥環境下實現壁面爬行的仿壁虎機器人的樣機3水下仿生氣器人水下機器人又稱為水下無人潛器，分為遙控、半自治及自治型。水下機器人是典型的軍民兩用技術，不僅可用于海上資源的勘探和開發，而且在海戰中也有不行替代的作用。魚類的高效、快速、機動敏捷的水下推動方式吸引了國內外的科學家們從事仿生氣器魚的爭論。美國、日本等國的科學家們研制出了各種類型的仿生氣器魚試驗平臺和原理樣機。國內的中科院自動化爭論所和北京航空航天大學等單位已研制了機器魚樣機。基于鲹科模型的“游龍”系列機械魚8.2.2仿生氣器人關鍵技術問題1建模問題仿生氣器人的運動具有高度的敏捷性和適應性，其一般都是冗余度或超冗余度機器人，構造簡單。運動學和動力學模型與常規機器人有很大差異，且簡單程度更大。2掌握優化問題機器人的自由度越多，機構越簡單，必將導致掌握系統的簡單化。簡單巨系統的實現不能全靠子系統的積存，要做到“整體大于組分之和”，同時要爭論高效優化的掌握算法才能使系統具有實時處理力量。3信息融合問題信息融合技術把分布在不同位置的多個同類或不同類的傳感器所供給的局部環境的不完整信息加以綜合，消退多傳感器信息之間可能存在的冗余和沖突，從而提高系統決策、規劃、反響的快速性和正確性。4機構設計問題生物的形態經過千百萬年的進化，其構造特征極具合理性，而要用機械來完全仿制生物體幾乎是不行能的，只有在充分爭論生物肌體構造和運動特性的根底上提取其精華進展簡化，才能開發全方位關節機構和簡潔關節組成高敏捷性的機器人機構。5微傳感和微驅動問題微型仿生氣器人的開發涉及到電磁、機械、熱、光、化學、生物等多學科。對于微型仿生氣器人的制造，需要解決一些工程上的問題。如動力源、驅動方式、傳感集成掌握以及同外界的通訊等。8.2.3仿生氣器人進展趨勢特種仿生氣器人微型化仿生氣器人仿形仿生氣器人生物仿生氣器人8.3仿生氣器魚魚類推動理論1魚類形態描述以下圖給出了常用的描述魚體形態的術語。魚體通常為紡錘形體或扁平形流線體，可以極大的減小形體阻力。鰭對大多數魚類的游動力量起到打算性的作用，一般來講，尾鰭供給前向游動的主要動力，中間鰭起平衡作用，而對鰭主要起到轉彎和平衡的作用。2魚類游動方式分類噴射式：烏賊、魷魚、水母等依照身體軀干的特殊構造，它們由身體內部的特殊部位向后擠壓水流產生后向推力，利用動量守恒原理推動身體前進。BCF(Bodyand/orCaudalFin)推動方式：這種推動方式也被稱作尾鰭搖擺式。又可分為鰻行式(Anguilliform)，鱒行式(Carangiform)和鲉行式(Thunniform)。它們的顯著特點是主要利用魚的身體后半段和尾鰭協調搖擺前進。MPF(Medianand/orPairedFin)推動方式：它主要是利用除了尾鰭之外的一些魚鰭劃動向前推動，如胸鰭、腹鰭、臀鰭、背鰭等。這類魚較少，大多數的魚類只是利用這些鰭來保持平衡和掌握轉向。BCF推動方式(a)鰻行式(b)鱒行式(c)鲉行式(c)鲉行式：又稱鲹科結合新月形尾鰭模式，魚類有燦魚、鰭魚、馬林魚等，常有大展弦比的尾鰭，在快速運動中最為高效。海洋中游速最高的魚類大都承受這種游動方式。(a)鰻行式：又稱身體波動式，如鰻魚、水蛇等，它們的游動猶如正弦波形的前進一樣，把身體當作推動器，用從頭到尾波動身體來游動，其前進單位距離所需推力最小。(b)鱒行式：又稱鰭科模式，如蹲魚、鮮魚等，是最常見的方式，在速度、加速度方面和可操控性上有最好的平衡。據統計，大約只有15%的魚類承受BCF推動方式以外的其他方式推動。由于MPF推動方式速度慢、效率低，因此我們把爭論的重點放在BCF推動方式中在速度、加速度和可操控性上有最好的平衡的鲹科模式。3鲹科類推動機理在有流速流場里的非流線型物體，會沿來流的方向在其后面形成一連串穿插而反向的尾渦，即卡門渦街。通過觀看，人們覺察BCF推動方式中搖擺尾鰭后同樣有尾渦串的存在，但和卡門渦街恰好相反，稱為反卡門渦街。反卡門渦街形成一種類似噴流的流淌，這種噴流平行于魚體前進的方向，產生推力。魚類之所以能造成如此高效率的推動力氣，是由于來自尾鰭整合背后渦流的方式。這些渦流的強度隨著尾鰭的力氣而增加，但是它們的旋轉軸方向始終都是垂直于魚體前進的方向，也就使形成有效推力的噴流平行于魚體前進的方向。一個搖擺周期產生反卡門渦街的過程(a)尾鰭先以搖擺造成一個大渦流；(b)快速的頂端搖擺造成一個相反方向的渦流；(c)下擺之后的尾鰭使兩個渦流相遇；(d)相供的兩個渦流形成一柱強力的向后噴流，并相互減弱其渦流強度。表示尾流反卡門渦街的參數是斯特勞哈爾數St〔StrouhalNumber)。對于BCF推動方式，斯特勞哈爾數定義為：4鲹科類模式魚體波模型建立及分析依據對鲹科模式魚類游動的仿生爭論及圖像分析，得到的魚體波特征為一波幅漸漸加大、由頭部至尾鰭傳播的行波。魚體波曲線可通過魚體波波幅包絡線與正弦曲線的合成來進展數學描述：鲹科模式魚類在推動游動過程中，身體長度上魚體波波數，即魚體波波長(:魚體長)，魚體的前部剛度很大，幾乎保持剛性，身體波幅限制在身體的后1/3局部，并且在末端到達最大值。鲹科模式魚類在游動過程中通過尾鰭的運動產生超過90%的推動力，尾鰭的運動是爭論的關鍵。尾鰭運動可視為平動運動和搖擺運動的合成，魚體波使尾鰭產生平動運動，此運動主要產生擊水動作;尾鰭繞關節旋轉產生搖擺運動，此運動主要為尾鰭的擊水動作供給適宜的攻角。基于以上分析，可將魚體的前部簡化為剛體，由后頸部的搖擺運動代替魚體波產生尾鰭的平動運動，這也有助于在身體的前部安裝驅動、掌握系統以及檢測傳感器等;后頸部與尾鰭相連的部位簡化為一個旋轉的關節，尾鰭則簡化為剛性的平板。尾鰭在特定的旋轉和平動運動狀況下產生最正確的推動性能。仿生氣器魚的設計機器魚是一個簡單的機器人系統，包括機械傳動和機電掌握兩大局部，其中機械系統猶如整個系統的軀體，掌握系統猶如整個系統的大腦和神經中樞。因此，它必需具有運動敏捷、傳動周密的機械本體，構造合理、高效運作的掌握系統，以及運算高速、工作牢靠的硬件平臺。1幾種典型機械魚機構分析UPF-2023機構分析UPF-2023尾部機構PF-600機構分析PF-600尾部機構

VCUUV機構分析VCUUV內部構造圖〔ElectronicsAssembly:電子集成單元；HydraulicPowerUnit:水電單元；Free-FloodedTail:無血尾巴；TailExostructure:尾巴外殼承載構造；PressureHull:壓力船身;Batteries:電池；MainBallast:主壓載物；DrivenLinkAssembly:驅動連接集成單元〕2機械魚機械構造設計尾部機械構造設計以兩個自由度的尾部推動機構為例進展具體介紹：魚體外形設計成紡錘體形，其縱軸與鉛垂軸之比取4左右，并且體后很快收斂成尾柄，這樣的外形可以保持邊界層的層流狀態，同時不致引起流淌分別。尾部機構為平行四連桿機構串連的形式，這樣，尾鰭的運動就由兩轉動關節的運動合成，兩個關節運動滿足肯定的相位跟隨關系，產生推力，推動魚體運動。圖中7為剛性的背鰭，設計目的是為了增加魚體的穩定程度，不產生推力作用。以上構造的優點是：自由度較少，運動掌握系統簡潔，易于實現準確掌握；運動對稱性好，能夠較好模擬蜂科模式魚類的運動形態；機構簡潔，傳動環節較少，傳動線路短，效率高；機構緊湊，易于水下密封，并能保證運動精度1.魚體蒙皮2.上托架3.負載腔4.12.18.魚體填充物5.齒輪6.尾柄關節7.背鰭8.力矩傳感器9.尾鰭關節10.尾鰭11.尾鰭伺服舵機13.直流電機14，光電碼盤15.電位計16.胸鰭伺服電機17.電源19.配重20.密封環21.胸鰭22.主體托架

機器魚本體機構圖胸鰭機械構造設計鲹科模式魚類胸鰭的運動一般包含三個自由度，這樣才能保證胸鰭產生三維的力，機器魚只需進展功能仿生，有以下幾種方式實現上浮、下潛運動:在魚體內內置水箱和泵，通過轉變自身重力來轉變在水中的浮力；通過胸鰭的上下搖擺產生升力；轉變尾鰭矢量推動方向，如將尾鰭旋轉90度，則原來的轉彎運動轉化為上浮運動；轉變魚在水中的姿勢，即轉變機器魚重心位置，使魚體與水平面成肯定角度，在推動的同時實現了上浮運動。為了實現機器魚的上浮和下潛運動，設計具有單自由度的翼形胸鰭，承受其次種形式，由伺服電機通過平行四連桿驅動胸鰭，通過轉變擊水角度實現上浮、下潛運動。仿生氣器魚的運動掌握機器魚推動系統是一個二自由度的系統，運動規律可參數化表示，我們將尾部兩關節的運動抽象為以下數學模型：1直線運動2轉向運動機器魚具有三種根本的轉彎模式：3上浮、下潛運動在機器魚推動的同時，轉變胸鰭的擊水角度，通過胸鰭產生的升力實現機器魚的上升和下潛運動。仿生氣器魚掌握系統硬件設計機器魚的掌握系統承受模塊化設計思想，自下而上的設計思路進展開發，以保證系統開發的牢靠性。系統的各個功能模塊分開設計，通過模塊間的接口來組合成整個系統。機器魚的掌握系統設計主要包括以下內容：(a)通信模塊：實現上位PC機與下位單片機間的異步串行通訊，實現遙控信號的正確發送和接收；(b)電機驅動模塊：設計電機驅動電路，利用單片機內部定時器/計數器產生PWM信號，掌握機器魚各關節電機的運動；(c)碼盤計數電路：設計電機轉速檢測的正交編碼信號檢測、旋轉方向推斷、計數電路；(d)信號采集模塊：利用A/D轉換器，采樣機器魚運動中的尾柄位置信號，尾柄力矩信號。機器魚掌握系統總體框圖8.4四足仿生氣器人8.4.1四足仿生氣器人總體方案設計1樣機設計概況以西北工業大學設計的四足仿生氣器人為樣例進展講解。樣機承受仿四足哺乳類動物—狗的生理構造，并對其關節進展了簡化：四足仿生氣器人關節分布圖2機器人運動掌握算法目前機器人的運動掌握算法可大致分為兩類：(1)傳統規劃算法：傳統規劃算法先對機器人本體建模，運動中確定目標位置和運行速度后需實時地再建立準確的環境模型，在這根底上通過動力學及運動學方程的數值求解，獲得各關節在下一時刻的位置信息。該方法適合機器人在構造化環境下的運動掌握，具有算法成熟、掌握精度高等優點。其缺點是對移動機器人系統建模簡單、計算量大、實時性難以保證，同時在非構造化環境中，很難對環境準確建模。(2)仿生掌握算法：仿生掌握算法是仿照生物的運動機理來實現對機器人的運動掌握，常見的有仿生CPG算法、遺傳算法、基于行為的掌握方法等。仿生CPG算法能夠產生穩定的相位關系，實現步態的協調，不需要對環境準確建模，具有算法簡潔、易于計算機程序化、對地形的適應性強等特點。目前該算法已應用于四足機器人Tekken和Biosbot，同時在仿生氣器魚、機器蛇和雙足機器人中已初見成效。遺傳算法是對生物進化機制的仿生，其特點是具有高度的并行處理力量，魯棒性強，易于實現全局優化，特殊適用于非線性簡單大系統的優化。基于行為掌握的機器人運動由一系列同時發生的簡潔動作或“力量”組成，通過自組織實現系統的簡單行為，具有即時性和自組織的特點，在非構造化環境中具有良好的適應性。3CPG算法爭論動物常見的運動形式有走、跑、跳、泳和飛等，這些運動具有時間和空間對稱的周期性運動，被稱作節律運動。生物學家普遍認為，動物的節律行為是低級神經中樞的自激行為，由位于脊椎動物的脊髓或無脊椎動物的胸腹神經節中的CPG掌握，這種掌握方式為機器人的運動供給了一種新的掌握方法，即基于CPG的機器人運動掌握方法。單個CPG的輸出可作為機器人單關節掌握的位置、力矩、速度等掌握信號，由多個CPG組成的CPG網絡則可掌握機器人的多關節協調運動。

CPG網絡具有如下特點：(a)自動產生穩定的節律信號。CPG網絡可以在缺乏高層命令和外部反響的狀況下自動產生穩定的節律信號，而反響信號或高層命令又可以對的行為進展調整。(b)多關節的協調。網絡通過相位鎖定，可以產生多種穩定、自然的相位關系使多關節協調運動，從而實現不同的運動模式。(c)CPG網絡易于各類傳感器的接入，傳感器的信號作為的外部輸入，為機器人供給環境信息。(d)環境適應性強。(e)構造簡潔。要承受CPG掌握算法，需先進展CPG建模。目前已有很多學者通過各種方法來建立CPG模型，其中Matsuoka的神經元振蕩器模型得到了廣泛的承受，該模型是日本九州工學院的松岡清利通過對生物神經細胞的爭論，在漏極積分器微分方程的根底上改進的模型，以該模型為根底的CPG掌握方法己經在多個四足仿生氣器人中得到了應用。日本電氣信息大學的Kimura在Matsuoka神經元振蕩器模型的根底上承受兩個神經元(對應動物的伸肌和屈肌掌握神經元)相互抑制構成振蕩器，兩個神經元的輸出之差作為整個振蕩器的輸出。Kimura將這個模型應用于其研制的四足機器人Patrush和Tekken，取得了良好的效果。CPG算法為多變量、強耦合、非線性算法。Kimura的CPG振蕩器模型由多個CPG構成的CPG網絡有鏈狀和網狀兩種構造，由四個CPG單元構成的網狀CPG網絡可用來掌握四足機器人的四個骸關節。四足動物通常有四種步態行走、同側跑、對角跑和奔馳步態，通過網絡的相位鎖定可以實現這四種步態。四個CPG單元