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仿生机器人发展研究

2016-10-06 01:21
蓝林笑生
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  什么是仿生机器人

  “仿生机器人”是指模仿生物、从事生物特点工作的机器人。目前在西方国家,机械宠物十分流行,另外,仿麻雀机器人可以担任环境监测的任务,具有广阔的开发前景。二十一世纪人类将进入老龄化社会,发展“仿人机器人”将弥补年轻劳动力的严重不足,解决老龄化社会的家庭服务和医疗等社会问题,并能开辟新的产业,创造新的就业机会。”

  仿生青蛙机器人设计

  青蛙跳跃具有爆发性强、距离远的特点,能够轻松越过障碍,并且具有很好的环境适应性。其生物体结构和行为方式合理、灵活、高效。基于对青蛙生物特征和跳跃运动机理的分析,对于复杂的结构进行简化,提出了一种面向跳跃运动的机构模型,并进行仿生青蛙的设计。

  1.研究背景及意义

  1.1国外研究水平

  加拿大麦吉尔大学分析了柔性机器人的控制算法,模仿动物利用肌肉、腱等弹性储能元素来降低耗能,研制了具有柔性髋关节和腿的单腿跳跃机器人,跳跃速度可达1.25m/s,而驱动功率仅48W。

  美国斯担福大学和俄亥俄州大学合作,通过研究各种动物奔跑的运动步态和动力学特性,以动物运动时耗能小,腿部弹性储能和低惯量为目标,研制出了一种机器人。

  日本东京工业大学科学家通过分析猫在爬墙过程中,仿造其半身的结构,研制了一种机器猫,其跳跃动作不追求运动中整体达到的高度,而是像猫那样通过四肢的协调动作越过障碍物。

  1.2国内研究水平

  哈尔滨工业大学通过分析蝗虫起跳的运动原理,对生物模型进行简化,建立了机器人理论模型,并从运动学和动力学进行分析,最终设计了二套分别基于电机和电磁铁驱动的样机,并进行了实验研究。

  上海交大模仿人体下肢设计了关节弹性步行机构。他们在机器人的小腿中安置了弹性装置,通过四组并联弹性元件和机器人腿外壳为机架的四连杆机构的复合,使机构产生了缓冲,储能效果。

  西北工业大学分析了袋鼠的生物形态和运动机理,提出了具有柔性脚趾的仿生袋鼠机器人机构模型,对机器人着地和腾空的两个阶段进行了运动学及动力学分析,并研究了全跳跃周期关节空间的轨迹规划,为袋鼠机器人的实现,解决其跳跃、弹跳动力等关键技术奠定了理论基础。

  1.3常规跳跃机器人

  麻省理工学院腿实验室的Raibert教授于1980年研制了世界上第一个以连续跳跃方式运动的单腿机器人,机器人的运动被限制在一个平面内,腿部装有气缸,作用相当于弹簧,因此它在地面上的运动类似于一个带弹簧的倒立摆角。其基本运动模型如图所示,机构有一个X方向的平移自由度以及足部和躯体之间的旋转自由度e,其跳跃与落地过程经过运动学与动力学分析和计算后,只要按规律外加控制就可保持连续稳定的跳跃运动,M.H.Raibert专门著书论述了这一模型。此外,很多学者从各个角度对类似机构进行了数学分析与仿真。目前对Raibert跳跃模型的研究集中于如何对这种非完整约束系统进行平衡控制上。

  1.4一般青蛙机器人

  美国麻省理工学院Raibert教授等人研制了多种仿生步行或爬行机器人。其中有两种可跳跃前进的腿型机器人。一种是二维跳跃机器人Uniroo}42},其腿部结构类似于袋鼠的后肢,如图所示。机器人共有四个关节,即尾关节、骸关节、膝关节和踩关节,它们分别由四个液压缸驱动并控制实现系统的跳跃及平衡,侧向借助连接在地面上的杆件保持稳定。另一种是三维跳跃机器人3DB1peCl}43,44],如图1-12所示。其骸关节具有两个自由度,腿部长度由气缸控制。机器人单腿动态平衡控制系统由三部分组成:一部分控制机构的前进速度,一部分控制机体与金属腿之间的角度,另一部分控制弹跳高度。该机器人具有很好的平衡性和运动稳定性,能够实现跑、跳、甚至空翻等动作。

  1.5意义

  当今世界,科技发展水平日益进步,机器人研究领域已经向航空航天、水面水下、地下管道等环境发展,未来的机器人将在人类无法工作的环境中代替人类工作,人们要求机器人不仅适应原来的基本要求,还要适应未知的环境,这就对机器人的运动灵活性、适应性、生存能力很高。

  移动性能是未来机器人在许多场合的关键能力,为了完成任务,常常要求机器人能够到人们无法进入的禁区进行侦查、探测,、攻击,、干扰等行动。我们设计的仿生青蛙,运用了跳跃的运动方式,能够适应不同地表,实现跨越沟渠和障碍,活动范围广,躲避风险能力和生存能力强,拥有极强的移动能力,因此能够代替人们到达不可预测的环境中进行各种活动,完成任务。

  青蛙跳跃具有爆发性强、距离远的特点,能够轻松越过障碍,并且具有很好的环境适应性。其生物体结构和行为方式合理、灵活、高效。基于对青蛙生物特征和跳跃运动机理的分析,对于复杂的结构进行简化,提出了一种面向跳跃运动的机构模型,并进行仿生青蛙的设计。青蛙前肢简化为一个主动肩关节和一个被动肘关节,从而实现其着路支撑缓冲和姿态调整的功能。后肢采用五杆机构作为腿部主体,并增加脚掌以保证其稳定性。后肢通过电机控制实现跳跃动作,具有较大的可行性,后肢五杆机构具有与青蛙跳跃时相识的力学规律,从而实现很好的跳跃功能。

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