关于蛇行运动的仿生

. v.蛇行运动仿生设计在交通运输领域应用 课程名称： 仿生学 专业班级： 10级生物科学01班 学生*： 马步益. v.关于蛇行运动仿生设计在交通运输领域应用的研究 蛇是一种无肢体的动物,依靠细长身体的蜿蜒推动快速运动.蛇是脊椎动物,它的脊椎大约有200400块脊骨,蛇的脊骨形成球套关节,并带有突起,这样防止了躯体扭动,保护了脊索.该构造由一系列外表形成,产生有限范围的水平和垂直运动,对于大多数蛇而言,水平运动范围为1020b,垂直运动范围为23b.蛇是定长的,它只有3种骨骼:头骨、脊骨、肋骨.蛇骨骼构造是简单的重复性构造,并限制相邻脊椎关节的相对运动。 一 蛇形仿生机器人蛇形机器人的研究开创了一个新的仿生机器人研究领域。自20世纪70年代日本的第一条蛇形机器人问世,各国的许多研究人员开场了该类机器人的研究,提出大量的相关理论l明,制作了多台样机。近几年,我国科技工作者也开场研究蛇形机器人。根据蛇的运动原理制作的蛇形机器人,可以抑制轮式机器人和腿式机器人的缺点,能够在多种环境中运动。例如:在草地中爬行,在水中游泳,在凸凹不平的地面运动,在沼泽中前进;作为操作臂完成各种危险作业,进入狭小空间完成修补和抢救工作。而且蛇形机器人机构简单,模块化设计能够实现可重构。另外,蛇形机器人的节律运动为其控制提供了有利条件。*自动化所已制作出两代蛇形机器人功能样机,在设计和试验中积累了很多珍贵经历。首先介绍蛇形机器人构造,包括机械构造和控制构造。然后,说明蛇形曲线,并在此根底上,提出有关蛇形机器人转弯的幅值调整法和相位调整法,同时提出了侧移运动的相关规划。l.蛇形机器人构造 *自动化所的蛇形机器人在机构上采用模块化设计(如图1所示),每个模块具有自由度,多个模块按一定方式连接可以组装成三维蛇形机器人(如图2所示)。在控制上,选用CAN总线的控制方式实现一点对多点的控制,满足实时控制的需要(如图3所示)。每个模块都装有一片嵌入式16位单片机,各个单片机独立处理关节的运动信息和传感信息,为机器人的分布式控制提供有利条件。蛇形机器人头部安装有GPS定位系统、无线通信系统和摄像头,向主控计算机提供位置信息、通信和图像信息。蛇形机器人尾部安装有电池,为蛇形机器人运动提供动力。2蛇形机器人运动曲线自然界中蛇的运动形式可大致分为四种:蜿蜒运动:是最常见也是运动效率最高的运动形式。蜿蜒运动时,蛇依靠与地面的切向摩擦力和法向摩擦力的差推动自身运动,需要身体的肌肉产生较大力矩和保持收缩与伸展的连续性。直线运动:类似于蛆叫的收缩运动方式,是蛇在捕食过程中采用的运动方式。收缩运动:是蛇在比拟光滑平面或狭小空间下采用的一种运动方式。侧向运动:更确切地说应该叫做斜侧运动,是沙漠中响尾蛇的一种运动方式,在向前运动的同时产生侧向运动。就蜿蜒运动而言,日本的Hirose教授最早提出了蛇形曲线,该曲线是在对生物蛇进展大量的运动观测后提出的。通过在蛇形机器人上的试验,证明采用蛇形曲线的机器人运动效率高、波形连续。马书根教授从肌肉的力学分析角度证明了此种曲线,并从动力学角度分析了采用蛇形曲线的蛇形机器人的运动转弯方法的提出。 许多学者对蛇形机器人运动曲线作了大量研究,但涉及到如何使蛇形机器人转弯及控制转弯半径的研究尚少。蛇形机器人在运动过程中,由于滑动的原因必然产生偏离原路径的运动,或者由于运动的需要而执行某种偏转运动。因此,提出调整蛇形机器人运动方位的方法是非常必要的。一般可将偏离运动分为三种:方向偏离,侧移和两者的结合。在分析蛇形曲线的根底上,提出幅值调整法和相位调整法两种新的转弯方法,并在下一局部提出一种简单的侧移方法。通过这些方法可以实现蛇形机器人的方位调整。4.蛇形机器人的开展现状(The presentstate of snake-robot research)自从日本东京大学的Hirose教授1972年研制了第一台蛇形机器人样机图2,至今蛇形机器人已成为仿生机器人研究对象中很活泼的一支.美国Chrikjian and Burdick首先从超冗余度机器人角度开场对蛇形机器人的机构和运动理论进展一些研究.并提出变几何桁架构造作为蛇的根本模块形式.日本Ibaraki大学的马书根研制了周围有轮子保护的ACM-R3,该机构构造简单,并可以实现直接单元驱动、侧面滚动、螺旋运动、S曲线等各种运动形式.NEC公司的Takanash开发研制一种由刚性体关节相连的蛇形机器人机构,它能够实现三维空间运动,应用在危险情况下探查和营救工作.但由于长的刚性体单元,它不能实际仿真蛇的运动.德国Karl.L.Paap研制了(GMD-snake1),该样机每节由两个橡胶关节组成,一个单元有四组驱动装置(8个电机)可以在垂直和水平方向上弯曲,其优点是运动在各个方向灵活,缺点是抬起时由于重力作用,关节将产生失控的扭动作用.卡耐基梅隆大学(CMU)研制学习的蛇形机器人,并给该机构特制了皮肤,美国NASA改进了该构造,研制了能实现多种运动的蛇形机器人Snakebots.法国的Bayraktaroglu,Z.Y.、意大利的Poi,G.、瑞士的Nilsson,M.等学者相继开展了相关课题的研究. 在国内,*交通大学X显世、颜国正于1999年3月开发研制了我国第一台微小型仿蛇机器人样机.中科院*自动化所机器人开放实验室最近也开场了蛇形机器人的研究,并基于可重构的思想提出一种新型构造.国防科技大学也研制了自己的样机,该样机能在水中实现运动.蛇形机器人的研究在我国刚刚起步,但进展很快.5蛇形机器人的开展方向 过去围绕蛇形机器人的研究工作主要是蛇形机构的运动原理以及它的多种运动模式的实现;结合机器人的应用背景和自身特点,目前蛇形机器人的研究正朝以下两个主要方向开展. 5.1机构的可重构是指一个机械系统由一种或几种一样的智能模块构成,不同数量模块的不同组合可以改变构造的形状和大小,以适应不同工作的需求.如果一个系统能够自主地动态地改变其构造,那么它就能动态的适应各种环境和任务.单元的模块化是实现可重构的根底.模块化的概念即包括机械局部又包括电子硬件和控制软件.模块可重构机器人由许多模块组成,这些模块能以多种方式断开和连接,形成具有不同功能的新系统.模块可重构机器人有三个显著特点,通用性、鲁棒性和经济性.它的通用性主要表现在未知的环境下,如星空探索、海底挖掘、地震救灾等. 5.2由于要完成的任务未知,不可能事先设计特定的工具.这就要求有一个可以感知环境并做出决策的可重构系统.模块可重构系统的另一特点是鲁棒性高,它可以利用冗余度和全局反响补偿个别模块的局部误差;它还有自修复能力,即它可以自动丢弃损坏的关节,并由功能不重要的关节替代.可重构系统的经济性是指多种形式的系统可以由大量一样模块和少量不同模块构成,大量的一样模块系统的设计、制造、装配过程是统一的,这大大减少了制造本钱. 6.由于蛇形机器人具有模块化构造,因此通常在大的可重构移动系统中包括蛇形机器人环节,目前这样的系统有Polybot和CONRO Polybot是一个自动可重构系统,具有两种模块类型,连接块和成员块.连接中心和各连接模块采用电磁连接方式,实现了蛇爬行、四肢跨越、圆形滚动等各种运动方式;CONRO是由一系列的自治的、自给自足的模块组成,它由三种模块组成,连接中心、活动块、被动块.采用机械式连接.它可以自重构成机器蛇穿越管道和六腿机器人来爬楼梯等. 然而,就蛇形机器人本身来说,由于它具有模块化构造,自身就是一个可重构的系统.因此近年来蛇形机器人向自重构的方向开展起来.目前无论是Hirose研制的主动索状机构(ACM)蛇形机器人,还是Chirikjian和Burdick研制的基于变几何构造桁架构造(GVT)的超冗余度蛇形机器人都不是自重构的.蛇形机器人系统的自重构同样需要从机构和控制两方面考虑. 6.1.自给是从硬件方面来说,有线控制大大减小了蛇形机器人的移动范围.所以要求组成控制的硬件(电源、传感器、驱动器、CUP)集于一个板上,采用无线通讯,无线能量传送.由于一个模块就是一个智能主体,它必需有自己的CPU、能量来源,并能对自身的传感器和执行器的控制.试验说明,通常蛇形机器人的运动速度不是由电机的功率决定,而是由能源和计算机的容量限制.由于蛇形机构的小型和轻型化,受电源的体积和重量限制,很难把它集中在一个小的模块中,而利用无限能量传输或太阳能,那么具有严重的效率问题.如何实现机器人的能量自给还有待解决. 6.2.自主是从软件上来说,即它不需要外界的参与,自主判断并做出控制决策.当蛇形机器人在特殊环境下作业时,要求主体自动主分解成几局部,每局部各自完成任务后,再构为一体,因此这里的自给,自主不但指整体,而且要每个模块也具有同样的特性,并能和主体协调通讯.每个模块的单片机必需对模块整体独立控制,其它的模块与其进展通讯(或者要求运动,或者读取传感器信息),而且由于网络的低带宽和高负载,不允许两个模块之间协商的时延,因此该模块还必须自治的做出响应动作.系统的全局控制可以用另外一个计算能力很强的计算机进展集中控制或靠多个智能体的协调实现分布式控制.综上所述,实现完全自主的蛇形机器人的控制方法2729是仿蛇形机器人研究中的一个富有挑战随着机器人应用领域的不断扩大,仿生机器人的研究成为重要的科研方向.蛇形机器人不但适用于星际探索、军事侦察攻击、水下地下管道、疾病检查治疗、抢险救灾等非构造环境下的自主作业方面开展,它还可以用于避障、通过粗糙、平坦、光滑的外表,由于其多自由度的特点,它可以作为操作手进展危险情况作业,并实现三维空间运动,进展夹持、利用身体移动物体等.本文从构造和理论两方面较系统的阐述了仿蛇形机器人的研究现状,并为其开展前景作了展望.二 关于机车涉性运动的仿生应用1引言 具有一定形状的铁道车辆轮对,沿着平直钢轨滚动时,会产生一种振幅有增大趋势的运动。轮对一面横向移动,一面又绕通过其质心的铅垂轴转动,这两种运动的祸合构成轮对的蛇行运动。车辆蛇行运动的稳定性研究对提高车辆运行的平安性有重要的意义。研究车辆蛇行运动稳定性时,首先必须考虑轮轨接触间的几何关系及物理关系特性。本文以一高速客车轮对为研究对象,考虑非线性轮轨接触几何关系及轮缘力,利用中心流形一范式方法研究了列车轮对的周期运动及其稳定性判据。这一研究方法可从理论上近似确定轮对蛇行运动的周期解高速车辆横向动力学性能研究中,蛇行运动稳定性是一个十分重要的局部。采用QR算法求解多自由度系统特征值,判别其失稳临界速度的稳定性研究方法,使转向架在该方面的设计由不可知进入可知阶段,从而成为普遍采纳的方法.近年来,又出现一些其他的算法以及各种线性和非线性力学模型,为高速车辆蛇行运动稳定性的改善提供了实用设计手段。但这方面的研究还有两个问题尚待讨论。其一,由于影响蛇行运动稳定性的因素众多,故在以往的设计中常采用多方案选优法以获得理想的临界速度。这种方法不仅费时,而且选出的“最优方案是否真是设计可行域中的最优解也不明确。其二,国外研究说明川,对于一种既定构造形式的转向架,其蛇行运动失稳临界速度的提高是有限度的。至于其限度终究是多少,也还有待研究。如果在对其构造本身潜能不甚明了的情况下,无谓地增加各种改善蛇行运动稳定性的装置,或者采用一种较复杂的新构造,那无疑是一种浪费。对解决这两个问题,作为现代设计方法之一的优化设计方法那么显示出特有的魅力。 优化设计方法是建立在最优化理论根底上的一种设计方法。它对于具有众多设计变量的问题,能在实际设计范围(约束条件)中找到一个最优设计参数集,从而到达所求目标函数的最优化。工程优化设计包括两个方面的内容:一是将工程实际问题抽象为最优化的数学模型,二是应用最优化数值方法求解这个数学模型.其中建立正确的数学模型是进展优化设计的一个重要环节。数学模型的建立包括:确定设计要求与优化范围;设计对象的分析;确定设计变量。设计变量有设计参数、性能参数及环境参数三种类型。设计参数是设计中的自变量,性能参数描述设计对象的性能特点;环境参数是设计时所依据的原始参数。设计变量的多少取决于设计问题的复杂程度以及要求设计结果的准确程度和设计参数对性能参数的影响程度。构造目标函数.这是建立优化设计数学模型的关键之一。评价一项设计的优劣,必须有个评价指标,例如性能指标、构造指标、经济指标等。每一项评价指标构成一项设计目标.把这些设计目标与设计变量间的关系用函数表示,即为目标函数.确定设计约束函数。约束条件有形态约束、边界约束及设计准那么约束三类。形态约束又称功能约束或性能约束,这是根据设计对象应满足的功能要求而建立的约束条件;边界约束又称区间约束,它规定了设计变量的取值范围;设计准那么约束是为了简化目标函数形式,将一些次要的设计准那么作为约束条件考虑。数学模型的标准化。它包括表达形式的标准和尺度的标准化。2.动力学仿真模型和方法动力学仿真的机车模型由91个部件组成。机车模型的15个刚体部件包括1个车体、2个转向架、4个轮对、4个驱制单元和4个空心轴。机车模型的76个柔体部件包括二系弹簧4个、一系弹簧8个、空心轴轮对连接弹簧4个、空心轴驱制单元连接弹簧4个、驱制单元转向架吊挂弹簧4个、驱制单元车体吊挂弹簧8个、车体转向架牵引杆弹簧2个、二系减振器12个、一系减振器8个、驱制单元车体横向减振器4个、空心轴轮对减振器4个、空心轴驱制单元减振器4个、驱制单元转向架吊挂减振器4个、驱制单元车体吊挂减振器4个、车体转向架牵引杆减振器2个。 车体模型的刚体部件统一使用六自由度全耦合的非线性刚体模型,刚体的非线性和耦合主要是在刚体转动局部,这样轮对高速旋转的陀螺效应非常自然地包括进动力学仿真计算中。刚体模型的输入变量是它受到的作用力和力矩,输出变量是它的位置和姿态以及速度和角速度。车体模型的柔体部件那么完成另一种映射,输入变量是它两端的绝对位置和两端的坐标架姿态,或者两端的绝对速度和两端的坐标架转动角速度,输出变量是它对两端刚体的作用力和力矩。柔体部件每端的输入变量是由该端刚体的六自由度运动以及相对于该端刚体的连接点和连接坐标架确定的,这里也使得模型是空间全耦合的。每个柔体部件可以设置它6个方面的特性,即拉压特性和扭转特性、两个方向剪切特性和两个方向弯曲特性。柔体部件的映射可以是线性或者非线性的,柔体部件的非线性特性使用分段线性的方法模拟,即对于不同的变形区间或者速度区间使用不同的弹性系数或阻尼系数。轴箱自由间隙是一系悬挂弹簧的特殊变形区间,它可以是机车制造中无法完全消除的轴承间隙,或者机车运行使用中品质下降形成的间隙,在这个变形区间弹簧模型的弹性系数取为零,它有别于货车轴箱有意留出的带摩擦的间隙。 动力学仿真的轮轨模型考虑了钢轨轨头和轮对踏面的空间几何型面,根据钢轨和轮对的位置与姿态求取轮轨接触嵌入的刚性接触斑,再应用Hertz理论计算弹性接触斑和接触正压力,最后应用Kalker线性蠕滑理论和Johnson_Vermeulen修正公式计算各蠕滑力和蠕滑力矩。动力学仿真中未考虑轨道子系统的振动。上述轮轨模型与车辆柔体部件一样,完成从位置姿态到作用力和力矩的映射。机车的蛇行运动通常是外部轨道扰动后的结果,动力学仿真中可以使用随机性轨道几何不平顺和确定性轨道阶跃几何输入。本文使用了阶跃式的5mm轨道横移,观察机车受扰动的动态响应。实际上,对于有轴箱自由间隙的机车,它自身的静力不对称(反对称)也是一种扰动源,在平直的轨道上它会开展出一定幅度的机车蛇行运动。 机车系统的动力学仿真是一个复杂的任务,它越来越依赖于对计算机的有效应用。我们使用VC+610和OpenGL,基于面向对象的方法,开发了一个通用的机车系统动力学仿真程序VSDS,可以可视地添加机车模型部件和轨道线路轨段,连接机车模型各部件和修改部件各参数。利用它可以方便地进展空间耦合的非线性机车系统动力学仿真。3. 根据线性理论 机车的蛇行失稳速度与机车的一系悬挂刚度直接有关,轴箱自由间隙引入了零刚度区间,那么机车在整个速度范围内发生蛇行运动就不难得到理解。轴箱自由间隙使一系悬挂刚度为零,这只在很小的一个变形区间成立,因此机车蛇行运动的幅度不能无限开展。非线性动力学仿真的结论是与轴箱自由间隙相联系,稳定的机车在受扰动后将得到稳定的机车蛇行运动(稳定的极限环)。在接近失稳的速度下,轴箱自由间隙会加剧车辆运行品质的恶化。轴箱自由间隙与机车蛇行运动直接有关,为保证机车运行品质,轴箱自由间隙必须在机车设计、制造和运行中得到有效控制。然而,自由间隙或者小刚度区间的存在又为机车系统的动力学性能设计提供了新的空间和新的资源手段。如果我们允许一定幅度的机车蛇行运动存在,使得机车的运行品质随速度的增高有控制地适当降级,那么在多目标优化的约束下,利用这个新的设计维度,可能得到更好的机车系统动力学性能。 在机车系统的横向稳定性研究中,初始扰动通常使用外部轨道几何输入(随机不平顺和阶跃输入),实际上机车和转向架的静力反对称布置也可以是一种鼓励源,在它的恒定作用下,在轮对的自动对中过程中(接触弹性和蠕滑),轮对可以开展出一定幅度的稳定振动。 现代计算机软硬件技术的高速开展和普遍应用,使得我们可以方便地实现空间耦合的机车系统动力学仿真,充分细致地考虑机车悬挂和轮轨接触几何的非线性特性,使得机车和轨道的仿真模型与实际的物理模型更加一致。完善的机车和轨道模型不仅可以详尽地研究机车系统的动力学性能,而且可以让系统建模和仿真试验相对独立,一次建模后在多种工况(直线和曲线)试验,反复重用仿真模型。在机车系统动力学仿真和仿真软件的研制方面,我们是可以有所作为的。三 蛇行运动与公路运输 公路运输系统的灵活性是铁路运输系统所无法比拟的，但是铁路运输收到铁路建立的限制。无论是实际应用的需求还是道路建立的本钱价值比拟，迫切的需要能够提高公路运输的载运量，问题便可以得到较有实用意义的解决。因此汽车与火车结合体-蛇行货运车 便应运而生了，如图。 蛇行货运车即具有汽车的机动灵活又像火车一样能够提高货运载荷，但目前在拖挂车箱的转向上还不能完全到达蛇形效果-沿着前节的运行轨迹前进。在转弯的过程中单单的拖拽力量会导致侧向受力的侧转运动，从而限制了有效拖挂车节的数量。 蛇行运动通过两侧肋骨上附着肌肉协调每个体节的运动方向，从而保证蛇行运动的方向性的实现，而机车和汽车现在应用还是中轴牵引的方式提供动力和方向。现在国内外不少的学者都在致力于对蛇行导向的研究，同时两侧牵引的技术也给蛇行货运车转向实际应用前景带来了曙光。 在解决掉转向问题实现蛇行之后，货运车在公路转弯上的转向便可以按照蛇行方式进展，车节的增加使铺设代价高昂、运输不够灵活的铁路优势不再。货运通过公路便可以实现灵活高效的流通，也不会再因为铺设铁路而对自然环境进展大肆的破坏。参考文献：【1】蛇形机器人的扭转运动研究 李 斌1 叶长龙1,2,31.中国科学院*自动化研究所,*,1100162.*工业大学,*,110023 3.中国科学院研究生院,100039【2】蛇形机器人的转弯和侧移运动研究 叶长龙(中国科学院*自动化研究所机器人学重点实验室*110016)马书根(日本国立茨城大学工学部茨城316一8511日本)李斌王越超(中国科学院*自动化研究所机器人学重点实验室*110016【3】人工肌肉多自由度弯曲柔性关节的仿生蛇形机器人 章 军1, 须文波2(1.江南大学机械工程学院*214122;2.江南大学信息工程学院*214122)【4】高速客车蛇行运动稳定性最优化研究 赵洪伦 周劲松 王福天(*铁道大学机械工程系)【5】轴箱自由间隙与机车蛇行运动 王 珏,李 治(西南交通大学电气工程学院,*610031). v