專利名稱：一種多關(guān)節(jié)機(jī)器海豚的翻滾運(yùn)動(dòng)控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及仿生學(xué)領(lǐng)域，尤其是一種多關(guān)節(jié)機(jī)器海豚的翻滾運(yùn)動(dòng)控制的方法。
背景技術(shù)：
海豚，作為一種海洋哺乳動(dòng)物，擁有令人驚嘆的游泳技術(shù)和減阻能力。海豚游動(dòng)時(shí)，依靠尾柄和尾鰭的上下擺動(dòng)及胸鰭的配合，游泳瞬時(shí)速度高達(dá)llm/s。海豚改變運(yùn)動(dòng)速度和方向時(shí)，皮膚會(huì)產(chǎn)生褶皺來(lái)抑制湍流的作用，從而大大降低水的阻力，使海豚的平均推進(jìn)效率達(dá)到0. 75 0. 90之間。另外，海豚擁有超強(qiáng)的轉(zhuǎn)向機(jī)動(dòng)性和靈活性，它的轉(zhuǎn)向角可達(dá)561. 6° /s，旋轉(zhuǎn)半徑甚至可小于0.2個(gè)身長(zhǎng)。鑒于海豚良好的機(jī)動(dòng)性、靈活性和高效性， 在危險(xiǎn)、狹窄、復(fù)雜的水下環(huán)境中的監(jiān)測(cè)、偵探、攻擊、救撈和維修中具有良好的應(yīng)用價(jià)值。仿生機(jī)器海豚的研究包含了生物學(xué)、水動(dòng)力學(xué)、自動(dòng)控制、材料學(xué)和機(jī)器人技術(shù)等多學(xué)科交叉問(wèn)題，形態(tài)和機(jī)理比較復(fù)雜，在國(guó)際上尚處于起步階段。目前，國(guó)內(nèi)外許多專家、 學(xué)者和相關(guān)組織針對(duì)機(jī)器海豚的推進(jìn)機(jī)理、減阻機(jī)制和運(yùn)動(dòng)控制開(kāi)展研究。Nakashima制造的兩關(guān)節(jié)機(jī)器海豚，胸鰭和尾鰭分別具有1個(gè)自由度。Dlgangil先后制造了四關(guān)節(jié)機(jī)器海豚和五關(guān)節(jié)機(jī)器海豚。其中，四關(guān)節(jié)機(jī)器海豚以氣動(dòng)裝置提供動(dòng)力，五關(guān)節(jié)機(jī)器海豚的胸鰭和尾鰭分別具有2個(gè)自由度。Fish團(tuán)隊(duì)一直致力于研究海豚游動(dòng)的推進(jìn)能力和機(jī)動(dòng)靈活性。“Gray’ s Paradox”問(wèn)題的成功解決，幫助我們對(duì)海豚的推進(jìn)機(jī)理、減阻機(jī)制和運(yùn)動(dòng)控制有了更深的理解。很多觀點(diǎn)認(rèn)為海豚之所以具有如此驚人的特征，原因與其通過(guò)尾鰭的不對(duì)稱擺動(dòng)造就的高度靈活的俯仰運(yùn)動(dòng)有關(guān)系。但是，目前為止，對(duì)海豚俯仰運(yùn)動(dòng)的研究還處在起步階段，俯仰運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的影響還需進(jìn)一步研究。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種多關(guān)節(jié)機(jī)器海豚的翻滾運(yùn)動(dòng)控制方法，以解決仿生機(jī)器海豚的三維運(yùn)動(dòng)控制問(wèn)題。該方法對(duì)海豚水下前翻滾、后翻滾運(yùn)動(dòng)進(jìn)行系統(tǒng)研究和理論分析，將前翻滾、后翻滾運(yùn)動(dòng)所屬的俯仰運(yùn)動(dòng)分為彎曲階段和伸展階段，建立伸展階段的游動(dòng)模型。同時(shí)，給出機(jī)器海豚前翻滾、后翻滾運(yùn)動(dòng)的控制方法和實(shí)現(xiàn)步驟。本發(fā)明所提出的一種多關(guān)節(jié)機(jī)器海豚的翻滾運(yùn)動(dòng)控制方法，其特征在于，所述翻滾運(yùn)動(dòng)包括前翻滾運(yùn)動(dòng)和后翻滾運(yùn)動(dòng)，兩種運(yùn)動(dòng)均由上仰和下俯基本動(dòng)作組合完成，在機(jī)器海豚的翻滾過(guò)程中，通過(guò)設(shè)置機(jī)器海豚的俯仰角和各個(gè)俯仰關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)角，交替執(zhí)行上仰、下俯動(dòng)作，調(diào)整機(jī)器海豚的質(zhì)心和浮心的相對(duì)位置，獲取相應(yīng)的翻滾速度和轉(zhuǎn)向力矩， 以完成翻滾運(yùn)動(dòng)。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了對(duì)機(jī)器海豚俯仰運(yùn)動(dòng)的精確和靈活控制，首創(chuàng)機(jī)器海豚的前滾翻運(yùn)動(dòng)和后滾翻運(yùn)動(dòng)兩種動(dòng)作，達(dá)成機(jī)器海豚垂直平面內(nèi)的360°旋轉(zhuǎn)，驗(yàn)證機(jī)器海豚俯仰運(yùn)動(dòng)的高度機(jī)動(dòng)性與靈活性。同時(shí)，本發(fā)明中的俯仰控制算法精確控制機(jī)器海豚在運(yùn)動(dòng)中的俯仰角，獲得機(jī)器海豚俯仰運(yùn)動(dòng)控制的精確性。


圖1是仿生機(jī)器海豚結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是仿生機(jī)器海豚俯仰運(yùn)動(dòng)伸展階段分析示意圖。圖3是仿生機(jī)器海豚前翻滾實(shí)驗(yàn)視頻截圖。圖4是仿生機(jī)器海豚后翻滾實(shí)驗(yàn)視頻截圖。
具體實(shí)施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。一、仿生機(jī)器海豚的機(jī)械結(jié)構(gòu)圖1是仿生機(jī)器海豚結(jié)構(gòu)示意圖，如圖1所示，仿生機(jī)器海豚包括剛性前段身體2、 具有多個(gè)俯仰關(guān)節(jié)的柔性后段身體6、尾鰭14、胸鰭片10、背鰭片3、控制電路板9、陀螺儀 11、壓力傳感器12、紅外探測(cè)器8、移動(dòng)滑塊1、配重銅塊4、偏航關(guān)節(jié)5、俯仰關(guān)節(jié)7、尾柄13。所述仿生機(jī)器海豚中，前段身體2與具有多個(gè)關(guān)節(jié)的柔性后段身體6相連；前段身體2內(nèi)部為中空結(jié)構(gòu)，內(nèi)部設(shè)置含有移動(dòng)滑塊1、控制電路板9、電源模塊、陀螺儀11、配重銅塊4 ；前段身體2前部安裝紅外探測(cè)器8用來(lái)避障，左側(cè)安裝壓力傳感器12用來(lái)測(cè)量水的壓力，上側(cè)安裝電源開(kāi)關(guān)；移動(dòng)滑塊1中包括一個(gè)伺服電機(jī)，用于驅(qū)動(dòng)俯仰關(guān)節(jié)J4，用來(lái)調(diào)節(jié)機(jī)器海豚的重心；胸鰭片10和背鰭片3分別安裝于前段身體2的兩側(cè)和上側(cè)，起平衡作用；后段身體6包含一個(gè)偏航關(guān)節(jié)5和三個(gè)俯仰關(guān)節(jié)7 (Λ、J2和J3),均由直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)；偏航關(guān)節(jié)5控制機(jī)器海豚的偏航運(yùn)動(dòng)；俯仰關(guān)節(jié)7產(chǎn)生機(jī)器海豚游動(dòng)的推進(jìn)力，控制機(jī)器海豚的俯仰運(yùn)動(dòng)；尾柄13連接機(jī)器海豚的后段身體6和尾鰭14 ；尾鰭14隨后段身體上下擺動(dòng)產(chǎn)生推進(jìn)力；所有關(guān)節(jié)采用鋁合金骨架相連；魚皮為防水魚皮。該仿生機(jī)器海豚的三維尺寸約為(LXWXH) :560mmXMOmmX 160mm?？傊亓考s為3. 29kg。下面結(jié)合附圖對(duì)一種多關(guān)節(jié)機(jī)器海豚的翻滾運(yùn)動(dòng)控制方法給出詳細(xì)的說(shuō)明。二、機(jī)器海豚翻滾運(yùn)動(dòng)控制機(jī)器海豚的翻滾運(yùn)動(dòng)屬于海豚的俯仰運(yùn)動(dòng)，因此本發(fā)明首先對(duì)海豚的俯仰運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分析。根據(jù)海豚俯仰運(yùn)動(dòng)的特征將俯仰運(yùn)動(dòng)分為彎曲階段和伸展階段。彎曲階段是指機(jī)器海豚的各個(gè)俯仰關(guān)節(jié)彎向身體同側(cè)，身體形態(tài)呈C形。該階段持續(xù)的時(shí)間較短，主要是增加俯仰角度。伸展階段是指機(jī)器海豚的身體由彎曲形態(tài)恢復(fù)成直線形態(tài)。該階段考慮到轉(zhuǎn)向的反沖力會(huì)對(duì)俯仰角產(chǎn)生負(fù)面影響，本發(fā)明采取減緩伸展速度，延長(zhǎng)伸展持續(xù)時(shí)間的措施。機(jī)器海豚在水中俯仰，依靠后段身體和尾鰭的擺動(dòng)提供動(dòng)力。后段身體在運(yùn)動(dòng)中， 必然受到所排開(kāi)水的阻力作用。當(dāng)海豚速度恒定時(shí)，所受阻力的大小與水的作用面積成正比。因此，為了減小運(yùn)動(dòng)中水的阻力作用，應(yīng)使水的作用面積最小。從理論上講，后段身體的橫截面是水作用面積的最小截面，這意味著每個(gè)俯仰關(guān)節(jié)必須沿著它所在的體段的中軸線運(yùn)動(dòng)。但是，俯仰關(guān)節(jié)是相互配合、相互制約的。因此，該方法在實(shí)際中并不可行。本發(fā)明采取的措施為使當(dāng)前活動(dòng)關(guān)節(jié)Ji后面的相鄰關(guān)節(jié)Jw沿7^；方向運(yùn)動(dòng)。于是，得到約束條件
其中，(Xi, Zi)表示關(guān)節(jié)Ji轉(zhuǎn)動(dòng)前的坐標(biāo)，(xi+1,zi+1)表示關(guān)節(jié)Jw轉(zhuǎn)動(dòng)前的坐標(biāo)， (x' i，z' i)表示關(guān)節(jié)Ji轉(zhuǎn)動(dòng)后的坐標(biāo)，(X' i+1, Z' i+1)表示關(guān)節(jié)JwR動(dòng)后的坐標(biāo)，Ii 表示關(guān)節(jié)Ji和關(guān)節(jié)Jw之間的距離。根據(jù)此約束條件，得到轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)Ji的轉(zhuǎn)動(dòng)角度θ ‘ i
權(quán)利要求
1.一種多關(guān)節(jié)機(jī)器海豚的翻滾運(yùn)動(dòng)控制方法，其特征在于，所述翻滾運(yùn)動(dòng)包括前翻滾運(yùn)動(dòng)和后翻滾運(yùn)動(dòng)，兩種運(yùn)動(dòng)均由上仰和下俯基本動(dòng)作組合完成，在機(jī)器海豚的翻滾過(guò)程中，通過(guò)設(shè)置機(jī)器海豚的俯仰角和各個(gè)俯仰關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)角，交替執(zhí)行上仰、下俯動(dòng)作，調(diào)整機(jī)器海豚的質(zhì)心和浮心的相對(duì)位置，獲取相應(yīng)的翻滾速度和轉(zhuǎn)向力矩，以完成翻滾運(yùn)動(dòng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述多關(guān)節(jié)機(jī)器海豚包括剛性前段身體、具有多個(gè)俯仰關(guān)節(jié)的柔性后段身體、陀螺儀、尾鰭、胸鰭片、背鰭片。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述對(duì)于前翻滾運(yùn)動(dòng)的控制進(jìn)一步包括以下步驟步驟1.1，機(jī)器海豚開(kāi)始水平靜置于水底，執(zhí)行前翻滾運(yùn)動(dòng)時(shí)，首先將所有俯仰關(guān)節(jié)在不超過(guò)限制角的前提下同時(shí)向背面急速擺動(dòng)，使機(jī)器海豚頭部急速上仰，接著使用所述俯仰控制算法，使海豚經(jīng)過(guò)幾個(gè)擺動(dòng)周期后，以45°的俯仰角急速上升，推進(jìn)整體向上向前運(yùn)動(dòng)，使機(jī)器海豚脫離水底，運(yùn)動(dòng)到水池的中部，方便進(jìn)行接下來(lái)的動(dòng)作，避免與水底發(fā)生刮蹭；步驟1. 2，到達(dá)水池中部后，機(jī)器海豚使用同樣的俯仰控制算法，立即下俯，獲得-45° 的俯仰角，同時(shí)保證機(jī)器海豚仍然距水底有一定距離；步驟1. 3，機(jī)器海豚的所有俯仰關(guān)節(jié)輕微地向背面彎曲，增加尾鰭向腹面拍動(dòng)時(shí)劃水的距離，為步驟1. 4中需要的較大的低頭力矩做準(zhǔn)備；步驟1.4，機(jī)器海豚以最大速度向腹面彎曲所有俯仰關(guān)節(jié)，借助步驟1.3中的準(zhǔn)備動(dòng)作，產(chǎn)生非常大的低頭力矩，使海豚在極短的時(shí)間內(nèi)，俯仰角超過(guò)-90°，此時(shí)，機(jī)器海豚的質(zhì)心CM和浮心CB反轉(zhuǎn)，同時(shí)海豚開(kāi)始向前滾轉(zhuǎn)；步驟1. 5，借助步驟1. 4中急速下俯時(shí)產(chǎn)生的較大的角速度，以及質(zhì)心CM和浮心CB反轉(zhuǎn)帶來(lái)的額外的低頭力矩，海豚進(jìn)一步前滾，當(dāng)機(jī)器海豚的俯仰角接近-270°時(shí)，機(jī)器海豚的質(zhì)心CM和浮心CB再次反轉(zhuǎn)為質(zhì)心CM在下、浮心CB在上的正常狀態(tài)，此時(shí)，機(jī)器海豚伸展其尾部，使用所述俯仰控制算法繼續(xù)下俯運(yùn)動(dòng)，進(jìn)一步減小俯仰角；步驟1. 6，在此后的翻滾過(guò)程中，機(jī)器海豚利用已獲得的轉(zhuǎn)向速度，繼續(xù)彎曲身體和翻滾，直到頭部處于豎直狀態(tài)；步驟1. 7，最后，機(jī)器海豚通過(guò)進(jìn)一步的俯仰運(yùn)動(dòng)調(diào)整俯仰角，使身體恢復(fù)到水平狀態(tài)， 并向前游出或停止，完成一次前翻滾運(yùn)動(dòng)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述前翻滾運(yùn)動(dòng)中，機(jī)器海豚尾鰭的旋轉(zhuǎn)角β front與時(shí)間t的關(guān)系為β front = 1726. 4t3-1724. 7t2+255, t e
。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述前翻滾運(yùn)動(dòng)中，機(jī)器海豚所受力矩符合下列等式
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述對(duì)于后翻滾運(yùn)動(dòng)的控制進(jìn)一步包括以下步驟步驟2. 1，機(jī)器海豚所有俯仰關(guān)節(jié)在不超過(guò)限制角的前提下向背面急速擺動(dòng)，使機(jī)器海豚頭部急速上仰，接著使用所述俯仰控制算法，海豚經(jīng)過(guò)幾個(gè)擺動(dòng)周期后，運(yùn)動(dòng)到水深中央并最終將俯仰角增加到90°，機(jī)器海豚此時(shí)呈現(xiàn)為豎直向上姿態(tài)；步驟2. 2，機(jī)器海豚的俯仰關(guān)節(jié)J1急劇向腹面方向彎曲50°，使得機(jī)器海豚的質(zhì)心CM 位于其浮心CB的背面一側(cè)，從而使機(jī)器海豚在腹面向上背面向下的顛倒?fàn)顟B(tài)下仍然保持足夠的靜穩(wěn)定性；步驟2. 3，此時(shí)，機(jī)器海豚的俯仰關(guān)節(jié)J2作為所述俯仰控制算法中的主動(dòng)關(guān)節(jié)，繼續(xù)進(jìn)行上仰運(yùn)動(dòng)，直到俯仰角超過(guò)220°，然后，機(jī)器海豚輕微向腹面伸展所有俯仰關(guān)節(jié)，增加尾鰭向背面拍動(dòng)時(shí)劃水的距離，為步驟2. 4和步驟2. 5中需要的較大的抬頭力矩做準(zhǔn)備；步驟2. 4，機(jī)器海豚以最大速度朝背面擺動(dòng)所有的俯仰關(guān)節(jié)，使身體急速抬頭旋轉(zhuǎn)；步驟2. 5，借助步驟2. 3和步驟2. 4中積累的角速度與質(zhì)心浮心反轉(zhuǎn)帶來(lái)的額外的抬頭力矩，機(jī)器海豚快速滾轉(zhuǎn)，直到俯仰角達(dá)到360° ；步驟2. 6，俯仰角到達(dá)360°之后，立即伸展各個(gè)俯仰關(guān)節(jié)，使俯仰角保持在360° ；步驟2. 7，機(jī)器海豚恢復(fù)成水平狀態(tài)后，游出或停止，完成一次后滾翻運(yùn)動(dòng)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述后翻滾運(yùn)動(dòng)中，機(jī)器海豚尾鰭的旋轉(zhuǎn)角3^1;與時(shí)間1的關(guān)系為β back = 1893. 6t3-1633. 2t2+180, t e
。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或3或6所述的方法，其特征在于，所述俯仰控制算法為首先俯仰關(guān)節(jié)J1作為主動(dòng)關(guān)節(jié)全速轉(zhuǎn)動(dòng)，而其他俯仰關(guān)節(jié)J2，J3則作為被動(dòng)關(guān)節(jié)，分別跟隨其相鄰前一關(guān)節(jié)J1J2轉(zhuǎn)動(dòng)；關(guān)節(jié)段J1J2運(yùn)動(dòng)到水平狀態(tài)，保持伸直，俯仰關(guān)節(jié)J1停止轉(zhuǎn)動(dòng)；然后，關(guān)節(jié)J2代替關(guān)節(jié)J1作為主動(dòng)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)，其后關(guān)節(jié)J3作為被動(dòng)關(guān)節(jié)跟隨關(guān)節(jié)J2轉(zhuǎn)動(dòng)；關(guān)節(jié)段 J2J3運(yùn)動(dòng)到水平狀態(tài)，保持伸直，俯仰關(guān)節(jié)J2停止轉(zhuǎn)動(dòng)；最后關(guān)節(jié)J3代替J2作為主動(dòng)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)，直至水平狀態(tài)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，各轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)Ji的轉(zhuǎn)動(dòng)角度θ‘ i為
10.根據(jù)權(quán)利要求3或6所述的方法，其特征在于，所述限制角為俯仰關(guān)節(jié)所能轉(zhuǎn)動(dòng)的最大角度，其根據(jù)關(guān)節(jié)舵機(jī)的參數(shù)性質(zhì)以及機(jī)器海豚本身動(dòng)作的限制來(lái)設(shè)定。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種多關(guān)節(jié)機(jī)器海豚的翻滾運(yùn)動(dòng)控制方法。本發(fā)明通過(guò)對(duì)海豚前翻滾、后翻滾運(yùn)動(dòng)進(jìn)行理論分析和系統(tǒng)研究，結(jié)合海豚游動(dòng)的推進(jìn)機(jī)理，提出機(jī)器海豚前翻滾、后翻滾運(yùn)動(dòng)的控制方法和實(shí)現(xiàn)步驟。由于機(jī)器海豚的前翻滾、后翻滾運(yùn)動(dòng)屬于海豚的俯仰運(yùn)動(dòng)，因此本發(fā)明首先對(duì)海豚俯仰運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分析，將俯仰運(yùn)動(dòng)分為彎曲階段和伸展階段，并分別對(duì)兩階段進(jìn)行分析，給出俯仰運(yùn)動(dòng)中關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角的計(jì)算公式和關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)路徑，控制機(jī)器海豚俯仰關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)。本發(fā)明能夠精確控制機(jī)器海豚在運(yùn)動(dòng)中的俯仰角，實(shí)現(xiàn)機(jī)器海豚俯仰運(yùn)動(dòng)控制的精確性。
文檔編號(hào)B63H1/36GK102490885SQ20111039185
公開(kāi)日2012年6月13日 申請(qǐng)日期2011年11月30日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月30日
發(fā)明者吳正興, 喻俊志, 蘇宗帥, 譚民 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所