机器海豚尾鳍运动模型的建立及仿真

以海豚背腹式摆动推进方程为基础,应用坐标变换的方法,建立了描述海豚尾鳍俯仰--沉浮运动的数学模型,同时建立了描述豚尾各运动参数之间关系的方程,随后运用Matlab的仿真功能再现了海豚在游动过程中尾鳍的运动规律.该模型可用于定性描述运动参数对海豚推进性能的影响,为进一步研究豚尾动力学提供了理论基础,同时也为机器海豚尾鳍的控制设计提供了理论依据.     

两栖仿生机器鱼Ⅰ的建模及推进机构设计

仿生机器鱼技术为研发高效、高机动性和低噪声的水下运载器提供了一种方法.受两栖动物启发,完成了一种多模态仿生两栖机器鱼I的设计,并成功试制了样机.该两栖机器鱼能巧妙地利用转体机构实现仿鱼和仿海豚游动的结合,实现了二种运动模态的自由切换,其鳍肢/轮桨机构的引入不仅能使机器鱼在地面爬行或仿轮式运动,而且提高了水中运动的机动性.     

一种摆动式柔性尾部的仿生机器鱼

提出了一种摆动式柔性尾部的仿生机器鱼设计方案,着重解决了机器鱼摆动式推进的问题.在该方案中,应用曲柄摇杆原理,采用了特殊的四连杆摆动机构,结合柔性尾部实现了机器鱼的摆动式推进;巧妙应用了霍尔位置传感器,检测摆杆临界位置,实现了鱼尾位置判断,进而控制鱼尾来转向;研制了以气缸为压缩泵的气路沉浮机构作为"鱼鳔",能使机器鱼进行沉浮动作.实验显示这种机器鱼达到了预期的功能,在水下作业、军事侦察、娱乐等领域有一定的研究应用价值.     

仿生扑翼型机器鱼驱动机构的设计

基于仿生学原理,模仿鸟类和昆虫飞行的翼和鱼的新月型尾鳍的推进机理,提出一种仿生扑翼型机器鱼的设计方案,利用机械、电子元器件或智能材料实现该机器鱼的水下复合推进,采用曲柄摇杆机构实现该机器鱼扑翼运动,具有运动形式简单、效率高、重量轻的特点;模仿鳢科加新月形尾鳍推进模式,使机器鱼的尾鳍简化为刚性的水翼,该水翼可做平动与绕自身轴摆动的复合运动;使用弹簧作为连接尾鳍与舵机的力传输元件,有效降低运动的能量损耗;在机器鱼尾部使用沉浮舵,由舵机旋转驱动拉杆产生倾覆力矩,在扑翼和尾鳍的推力作用下实现上浮和下沉。     

模块化仿生波动长鳍水下推进器的设计与实现

针对目前国内外在仿生波动鳍推进装置方面研究的不足,提出了一种模块化波动鳍推进器设计方案.该系统由圆筒形腔体和长鳍组成,长鳍上包含有12根鳍条,并通过柔性薄膜连接.在长鳍波动运动学分析基础上设计了其控制系统和运动控制策略,研制原理样机实现了对长鳍上鳍面波频率、幅值、偏置角、波长、传播方向的实时控制.实验结果表明:研制的波动鳍推进器通过调整参数能实现各种波形的运动,水下实验表明波动鳍推进器能稳定地在水中游动.     

线驱动仿海豹尾部推进机构设计与运动学分析

仿生推进由于具有速度快、效率高、机动性好、噪声污染低等优势,在水下机器人领域备受青睐.基于对海豹尾部生物结构及运动特征的研究,提出并设计了一种基于线驱动原理并结合柔性铰链机构的仿海豹尾部摆动推进机构.该机构包括脊椎框架单元、骨盆单元、胫骨单元以及柔性尾鳍单元,其关节采用柔性铰链,并通过两侧弹性元件的对称布置,可实现由单一舵机驱动仿生推进机构实现周期性摆动动作.采用D-H参数法对推进机构进行运动学分析,确定了推进机构尾鳍末端点在世界坐标系中的坐标,研究了仿生推进机构等效连杆摆角参数(摆动角、摆动幅值、初始角)对推进机构摆动幅值的影响规律.根据运动学分析结果,采用序列二次规划法对设计的仿生推进机构等效连杆摆角参数进行了优化,获得了与海豹尾部摆动幅值一致的最佳运动参数;在与海豹相同的游动速度下,推进机构尾鳍末端点的摆动轨迹与生物海豹的摆动轨迹基本吻合,验证了优化分析的正确性.在空气中进行原理样机摆动实验,通过摄像机连续拍摄的运动序列图,获得了实验样机尾鳍的摆动轨迹拟合曲线,与优化后的理论曲线对比,进一步验证了仿海豹尾部推进机构设计与分析的正确性.     

基于CPG模型的推进器运动控制方法

为了生成仿生长鳍波动推进器的多种运动模式,提出了一种基于中枢模式发生器(CPG)模型的运动控制方法.利用改进的Matsuoka振荡器,建立了一个含有10个神经振荡器的CPG模型,通过调节CPG模型的输入参数协调控制推进器各鳍条的摆动,得到多种运动模式,基于CPG模型建立了长鳍波动推进器的运动控制器.通过在FPGA中实现CPG控制器,实现长鳍波动推进器的实时在线控制.通过推进器的游动实验,验证了控制器的有效性.     

河南省青少年男子背越式跳高运动员起跳阶段摆动技术的运动学分析

采用文献资料、三维录像解析、调查访问与理论分析等方法,对河南省青少年男子甲组背越式跳高运动员起跳阶段摆动技术进行了运动学分析,旨在研究我省青少年背越式跳高运动员在起跳阶段的摆动技术动作,为进一步搞好今后的技术教学和运动训练提供一定的参考。     

跳高起跳阶段摆动腿技术的三维运动学分析--以中国优秀男运动员为例

在背越式跳高的起跳阶段中,由于摆动腿的质量大,摆动半径长,其动作速度与幅度对起跳阶段起着重要的作用．采用三维运动学分析方法研究摆动腿在起跳过程中的摆动技术,旨在找出中国优秀男子背越式跳高运动员摆动腿在起跳过程中的运动学参数、变化特点及其对起跳效果的影响,为进一步完善起跳技术理论、指导运动训练和教学提供理论依据．     

新型轮腿式机器人研究

设计与研制了一种新型小尺寸、轻体重、多用途的轮腿式机器人,集中了腿式机器人地形适应性强和轮式机器人机动速度高的优点,可在复杂地形条件下以多种行进步态和运动方式完成特殊的机动任务.开发了上位机人机交互系统和基于ARM的嵌入式运动控制系统,实现了多轴伺服运动控制技术,在控制、反馈各环节之间以及机器人视觉系统中采用了无线数据通信方式,实现了机器人的远程遥控.并辅助以超声波探测器阵列,用多传感器信息融合技术配以实时避障算法和数字图像处理技术实现了机器人的自主运动及探测.仿真分析和原理样机实测表明,该机器人具有良好的越野行驶能力和稳定可靠的探测性能,为进一步研究小型多用途机器人理论和实践奠定了基础.     

恢复人体四肢活动功能的肌电机器人技术系统

本文提出了一种适用于恢复人体四肢活动的机器人技术系统。文中指出:应用可按受肌肉功能状态信号的肌电系统,校正机器人执行机构运动参数,原则上是完全可行的。以人体前肢的活动训练为例,给出了由两个二自由度机器人构成的机器人技术系统的仿真研究结果。     

半浸状态下高速滑行体对波浪诱振的动力分析

针对高速滑行艇海豚不安定运动以及在波浪中的运动理论预测问题，因其运动微分方程式繁杂而且有许多假设和前提，需要在大型计算机上计算。应用简化了的高速滑行体模型在静水中滑行的升沉和纵摇运动的微分方程，提供了对不变侧缘角的高速滑行体在规则波浪中运动的动力分析方法。假定波长比滑行体长且滑行速度保持不变，通过对滑行体的流体诱振微分方程式的求解，得到其诱振响应的解析表达式。经验证，滑行体模型的理论计算与实验结果吻合较好，且计算简便。     

高速滑行艇“海豚运动”现象的实时数值预报方法

基于计算流体力学软件FLUENT及滑行艇纵向运动方程,编写了耦合求解滑行艇纵向运动响应特性的数值预报程序,进行了均匀来流中三维滑行艇模型"海豚运动"现象的数值模拟,分析了滑行艇在不同航速及重心位置条件下的升沉、纵摇运动特性.结果表明:当滑行艇的重心与艇艉的距离lg=0.231L(L为艇长),体积Froude数Fr▽≥2.7时,滑行艇出现"海豚运动"现象,且艇体的升沉量、纵倾角和响应频率均随着航速的增加而增大;当Fr▽=5.0,滑行艇重心处于lg=0.381L,0.351L时均出现"海豚运动"现象,且其升沉量、纵摇角的幅值和响应频率均随着重心纵向位置移向艇艉而增大.     

Analysis of characteristics of a pneumatic miniature robotic system

This paper described the structure of a flexible miniature robotic system which can move in human cavities, and then analyzed the characteristics of the robotic system in detail. The mobile mechanism of the miniature robotic system is soft; it makes inchworm-like movement driven by a 3-DOF pneumatic rubber actuator and holds its positions by air chambers. The driving characteristic models in axial and bending directions of the actuator were set up and the kinemics equations of the robotic system were set up. Experiments had been done through an electro-pressure control system, by which the pneumatic robotic system can be controlled with high accuracy. It is suitable for moving in human cavities for medical inspection.     

一致性方法的多仿生机器鱼编队对齐行为

针对多仿生机器鱼编队中的对齐行为,利用一致性的方法,提出一种新颖的机器鱼编队控制方法。设定机器鱼群体的一致性协议,模拟一定的群体智能、群体行为,通过机器鱼之间的局部信息交流,群体方向最终达到一致。在机器鱼平台上分别对信息拓扑为无向图和有向图的情况进行了一致性实验验证。实验的初始条件是机器鱼个体的朝向和各自运动方向随机,实验的最后结果两种情况下机器鱼群体方向均达到了一致。实验结果表明,该方法是有效的,实现了编队的对齐行为。     

基于强化学习的仿生机器鱼节能研究

利用仿生机器鱼平台, 模拟鱼类集群游动过程, 通过实验方法探究机器鱼集群游动时的能量节省问题。具体地, 将两条机器鱼按照一定的前后距离和左右距离固定在低湍流水洞中, 并正对来流方向; 控制前方(领航)机器鱼游动姿态的变化, 使得后方(跟随)机器鱼处在变化的流场环境中。基于强化学习理论, 建立跟随机器鱼在该流场环境下游动所消耗的能量值与其游动姿态之间的映射关系; 利用该映射关系, 获得跟随机器鱼能量消耗最小值对应的游动姿态信息, 并将该信息反馈至机器鱼运动控制器中, 调整机器鱼游动姿态,达到节省机器鱼能量的目标。     

三关节机器鱼的尾部动力学建模与仿真

机器鱼技术为研究高效、高机动性和低噪声的水下运载器提供了新的思路,是近几年水下机器人领域的研究热点之一.以三关节机器鱼为研究对象,建立了尾部动力学模型,并进行了仿真,由该模型出发对机器鱼的动力学进行了研究,分析了机器鱼速度与频率等的关系.该方法实现的运动仿真与真实的鱼的运动基本一致,速度随着摆动频率的降低而减小,随着相位差的减小而增加,摆幅对速度的影响很大.     

Stability analysis via the concept of Lyapunov exponents―a case study

The dynamics characteristics of the robotic arm system are usually highly nonlinear and strongly coupling,which will make it difficult to analyze the stability by the methods of solving kinetic equations or constructing Lyapunov function,especially,these methods cannot calculate the quantitative relationship between mechanical structures or control input and dynamics parameters and stability.The theoretical analysis process from symbol dynamics modeling of the robotic arm system to the movement stability is studied by using the concept of Lyapunov exponents method. To verify the algorithm effectiveness,the inner relation between its joint input torque and stability or chaotic and stable motion of the 2-DOF robotic arm system is analyzed quantitatively. As compared with its counterpart of Lyapunov's direct method,the main advantage of the concept of Lyapunov exponents is that the methods for calculating the exponents are constructive to provide an effective analysis tool for analyzing robotic arm system movement stability of nonlinear systems.     

基于信息熵的改进海豚群算法及其桁架优化

针对基本海豚群算法易陷入局部最优的缺陷,提出了基于信息熵的改进海豚群算法,引入信息熵来度量海豚群搜索阶段的不确定性,控制搜索阶段的选择概率,降低盲目搜索,克服了基本海豚群算法搜索阶段易陷入局部最优和早熟收敛的缺陷。将改进后的算法应用到桁架结构的优化中,并与其他算法优化结果进行了比较,证明了改进的算法在收敛速度和寻优精度方面有更好的表现,将其应用到桁架结构优化设计中,为结构优化设计提供了一种有效的方法。     

仿生学习的机器鱼运动模式分析

运动行为建模是机器鱼研究领域的重点和难点,研究将一种新颖的仿生学习方法应用到多关节机器鱼运动模式学习和生成上。首先,通过视频采集设备对鲤鱼的运动行为进行记录,并对记录的视频数据作离散化处理后进行分析,提取得到了鲤鱼的3个基本运动模式:"巡游"、"游动转弯"和"C形急转"。然后采用通用内部模型(general internal model,GIM)对鲤鱼的运动模式进行学习,利用其函数逼近能力和在时间、空间上的可伸缩性,机器鱼可以学习、修正和再现真鱼的运动模式。最后结合红外传感器及避障算法实现了机器鱼的自主避障行为,从而证实了该方法的有效性。