仿生机器人

对于给定的机器人位姿，每一腿关节的角位移量并不唯一
将最小的功率消耗值作为选择每一脚关位移量的标准
2020/6/19
2020/6/19
机器人位姿
机器人高度控制Βιβλιοθήκη BaiduHeight postures）
龙虾机器人为了能够适应复杂的地势环境，其高低位置势必要能够随 时调整： 抬高机器人高度，就可以越过其腹部下的某些障碍物； 降 低机器人高度，就可以机器人具有更好的稳定性。 机器人的高度：机器人的重心与地面的距离。
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3.应力—应变—温度的关系
如图所示，在高温时， SMA表现出伪弹性变形效 应，它能承受的载荷大； 在低温时，SMA表现出形 状记忆效应，承受的载荷 小。文中设计了一套实验 装置，在滑轮的末端加载 不同的重物，来测量不同 状态下镍钛诺肌肉模块的 力和位移的关系。
2020/6/19
通过实验最终得到了材料所受应力与材料中马氏体的比例之间的关 系。即：
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龙虾机器人位姿控制
为适应复杂的水域情况以及地势环境，机器人必须能实现多种位姿。
可以通过调整机器人的三个参数实现机器人的位姿变换：
俯仰（pitch）
翻滚（roll）
高低（height）
对于位姿问题的求解：
输入为人为预先设定的机器人位姿
输出为每一个人造肌肉模块所需要的功率值
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机器人俯仰控制（Pitch postures）
为了使机器人在复杂的水域环境中稳定运作，其俯仰角度必须也是可 调的。俯仰角度定义为机器人绕着Xg轴相对于地面的角度，俯仰角度 主要取决于ED关节的角度。
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机器人翻滚控制（Roll postures）
调节翻滚角度可以改善机器人在水流冲击下的静态稳定性。翻滚角度 定义为机器人绕Yg轴相对于地面转过的角度。翻滚位姿的变换也是主 要通过调节ED关节角度。
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结论
通过实验可以获得镍钛诺人造肌肉的应力-应变-功率关系曲线，并可 根据曲线建立相关的数学模型 此数学模型可应用在将镍钛诺作为执行器的工程实践中 基于实验的人造肌肉模型可以用来进行机器人位姿控制 最优化的肌肉激励值可以通过计算机计算获得 使用离散的电流功率作为人造的肌肉激励，可以最大程度的获得预期 的机器人位姿
高度控制 俯仰控制 翻转控制
2020/6/19
• 美国龙虾机器人
一种环境适应能力强，行动 灵活的生物。
能变化出一系列不规则的底 部形状并在激流中保持稳定。
在地势复杂的河岸边进行自 动远程感应作业。
2020/6/19
人工肌肉在龙虾机器人上的运用
•8条腿，每条腿有3个自由度
•每个腿的关节上均有一对人工肌 肉模型
2020/6/19
谢谢！
2020/6/19
•装在每条腿3个关节轮子上的控 制器能提供和生物类似的3中不 同的驱动力，从而实现腿的运动。
2020/6/19
机器人关节
龙虾机器人腿部运动通过三种关节来实现： PR关节 (protraction–retraction joint ) ED关节（elevation–depression joint） EF关节（ extension–flexion joint）
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镍钛诺的工作原理
文中所述形状记忆合金其实是利用温度变化所带来的低温马氏体 以及高温奥氏体的差异来实现形状的还原。主要包括下列三种情况： 1.无应力状态下的形状记忆效应 2.伪弹性变形效应 3.应力—应变—温度的关系
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1.无应力状态下的形状记忆效应
如图所示，SMA材料在低温马氏体下拥有两种相同晶体形式但是不同晶 格方向的结构。在应力的作用下，马氏体会从多种孪晶状态转变为应力取向 型的马氏体孪晶状态，这是马氏体的再取向应力应变行为。而经过加热，材 料回复至奥氏体状态，由于奥氏体没有马氏体这种特殊的多种状态现象，应 变产生的大量残余塑性变形便会恢复，材料也会回到原来的形状。
其中：
Em —— 马氏体的杨氏模量 Ea —— 奥氏体的杨氏模量
—— 材料总应变 L —— 马氏体成分的残余应变 ξ —— 马氏体成分占材料百分比
m ——马氏体成分的应变 a ——奥氏体成分的应变
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本文主要利用镍钛诺合金（nitinol）的这些优良特性来实现对一种仿 生水下机器人——美国龙虾机器人的姿态控制。
人工肌肉及其在仿生机 器人上的应用
2015.3.27
人工肌肉简介
镍钛诺合金（nitinol）是一种形状记忆合金。在1958年，美国海 军实验室的研究人员发明了一组具有独特形状记忆效应（也称为机械 记忆）的工程合金，即Ni-Ti形状记忆合金，并命名为Nitinol合金。
永不变型的金属镍钛诺是镍和钛 的合金～是实验室里创造出来的超 前卫记忆金属，它有许多优良的特 性，如形状记忆特性、超弹性、抗 腐蚀性等，所以被广泛地应用在机 械电子、生物医疗等方面。本文是 用来实现龙虾机器人的姿态控制。
2020/6/19
2.伪弹性变形效应
如图所示，这种情况是在高温奥氏体情况下，由于应力作用而使奥氏体晶体 转变为马氏体状态，而在外力作用下的马氏体会产生再取向应力应变行为。当我 们将试样上的强烈作用去除后，由于温度处于奥氏体结晶温度区，马氏体的存在 极不稳定，因此马氏体又转变为奥氏体，从而恢复之前存在的形状。