两栖仿生机器人汇总.

中国科学院沈阳自动化研究 所机器人学国家重点实验室， 研发一种新型水陆两栖蛇形机 器人。该机器人由9 个具有密 封设计的万向运动单元组成， 保证了样机在陆地和水中均能 灵活运动。基于简化的蛇形曲 线得到水陆两栖蛇形机器人的 基本二维运动步态即蜿蜒运动。 对两个垂直平面上，即水平面 和竖直面上基本步态进行复合， 由基于启发式思想的三维步态 生成方法，得到包括侧向蜿蜒 等运动的水陆两栖蛇形机器人 的多种陆地步态和水下步态， 其中S 形翻滚运动和螺旋翻滚 运动为蛇形机器人的两种新型 步态。
水雷对于海军来讲无疑是一种巨大的威胁. 由于浅水区水雷数量大、传 统扫雷车无法作业、乱流和泡沫影响探测等原因,水雷探测在这种区域变得 更加困难.
蛇的典型运动方式
1)蜿蜒运动 借助身体侧面接触凸凹不平的地面 所产生的力前进, 身体各部分形成相似的S形 运动轨迹, 是最普通、最高效的一种运动方式。
2)伸缩运动 身体收缩成S形, 前部前伸, 后部收缩, 循环向前运动, 类似手风琴的收缩与伸张当运动空 间狭小或者地面摩擦系数不满足蜿蜒运动要求时采 用伸缩运动, 但运动效率低;
两栖仿生机器人
内容简介
两栖机器人的研究背景
两栖仿生机器人分类
两栖机器人设计要点
蝾螈机器人原理
两栖动物作为最原始的陆生脊椎动物, 是脊椎动物进化史上 由水生到陆生的过渡类型 , 既有从鱼类祖先继承下来的适应 水生生活的性状, 又有适应陆地生活的新性状.在地球上, 除了 格陵兰岛以外, 其它任何地区都有两栖动物, 因此具有很强的 环境适应能力。 受两栖类动物的启发, 人们对既能适应陆地和近海滩涂的 多变地形, 又能适应复杂水环境的两栖机器人。 自然 界中具有良好两栖适应性的蟹、龟、蛙、鳄鱼、企鹅、 蝾螈等动物为两栖机器人设计提供了生物原型。
两栖机器人未来要解决的问题
2)两栖复合推进机构设计与实现. 机器人在陆地和水中 welcome to use these PowerPoint templates, New 的推进方式有很多种, 其运动原理各不相同, 且各具优缺 点,Content 如轮式推进结构简单、控制方便 ,但地形适应能力差; design, 10 years experience 腿式行走虽有较好的地形适应性, 结构和控制却相对复杂; 拍动方式在水中效率高, 但不能应用于陆地移动. 考虑到 机器人空间大小、运动控制的复杂程度以及稳定性等因 素, 在设计两栖机器人推进机构时, 应尽量避免在水陆环 境中分别使用两套不同的推进机构, 而应该采用适用于 水、陆两种环境的复合推进机构, 通过采用复合机构的不 同运动形式和控制方法实现水中和陆地推进.
龙虾作为一种在海底生活了数百万年的生物, 已经进化出了一套完美的系统来 进行感知、搜索、运动控制和湍流处理.布鲁克林大学的神经生物学家针对龙虾 在海洋湍流环境下具有锐的嗅觉功能这一特点构建了自主水下机器人:探索龙虾 的嗅觉跟踪机理及应用.
英国巴斯大学开发了 一种酷 似螃蟹的原型机器人在水下勘测 探索任务中将表现十分出色。 对螃蟹爬行姿态、步态和爪子 爬行跨度进行研究，通过改变步 幅长度能够改变行走速度，就像 野生螃蟹一样灵活自如。这款螃 蟹机器人基于螃蟹的身体结构特 征设计，行走时与螃蟹十分相似。
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应用范围和维护：当腿式机器人内部出现故障时,
往往需要整体拆装来查找故障原因, 不利于维护,蛇
形两栖机器人由于其特有的细长体结构, 可以在狭 小空间内自由活动, 且采用模块化设计，便于维护
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设计两栖机器人要解决的问题
1)水陆两栖复合推进系统建模. 生物体在亿万年的进化 welcome to use these PowerPoint templates, New 历程中已经获得了精细的肌体结构和巧妙的神经控制来 与环境相适应 , 两栖机器人要具有像两栖动物一样的灵活 Content design, 10 years experience 性和适应性, 那么其运动学和动力学模型必定与常规机器 人有较大差别。系统建模时, 应将仿生原型的形态参数和 运动参数与实际机电系统的物理约束相结合, 在满足实际 应用需求的基础上尽量简化推进模型, 实现机构的可控性。
腿式和蛇形机器人各有其优缺点:
1)两栖运动能力：传统
的腿式机器人必须改进
腿部机构的机械设计和 运动方式;蛇形两栖机器 人每个关节至少应有两 个自由度, 这就增加了物 理实现上的难度.
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实际环境适应能力：蛇形机器人实际环境中的泥 泞、荒草、树枝等不确定因素可能使被动轮的作用 降低, 甚至失效, 严重影其运动能力.腿式两栖机器 人比蛇形两栖机器人具有更好的实际环境适应能力.
3）侧向移动从头部开始, 身体部分顺次接地、抬 起, 完成前进运动, 身体和地面只有很少的接触点. 在沙地环境中运行时, 滑动摩擦阻力小, 因而运动 效率高, 是一种很好的适应沙漠环境的运动形式。
4) 直线运动靠腹部和地面的摩擦力进行驱动, 部 分点与点之间有相对运动, 适于笨重的蛇类运动.
东京工业大学研制了一种两 栖蛇形机器人ACM-R5 , 它不 仅能在陆地爬行, 还能在水中游 动。它由一系列关节组成, 每个 关节有两个自由度, 为了使关节 防水, 每个关节都由伸缩膜覆盖, 关节连接处用O 型圈密封,
ACM-R5采用模块化设计, 所有关节具有相同的结构, 并通过CAN 总线 通信, 这种模块化的设计不仅节约了设计和加工成本, 而且当有关节出现 故障时,只需用另一个关节替换故障关节即可, 大大方便了机器人的维护. 到目前为止,
ACM-R5的每个关节安装了6 个采用了特殊设计的推进机构, 称之为 鳍,兼有被动轮和桨的作 用, 机器蛇在地面进行侧面波状 运动时, 机器蛇和地面的摩擦系 数要有方向性, 即运动路线切线 方向的摩擦系数要小于垂直方 向的摩擦系数, 采用被动轮可满 足机器蛇对于摩擦系数的要求, 实现蜿蜒运动; 另一方面, 水蛇 之所以能在水中游动, 也是由于 轴向和纵向水阻力存在差异, 虽 然ACM-R5 的细长体设计本身 能满足水阻力差异, 但加上桨之 后可以增大阻力差, 提高游动效 率.
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根据运动方式不同, 目前的两栖机器人大致可以 分为两类
腿式两栖机器人
蛇形两栖机器人
1998年至今, 美国东北大 学海洋科学中心基于龙虾和 小龙虾的神经控制研究成果 相继开发了3代机器龙虾潜 在应用是在有海浪和海流的 浅水区域进行自主排雷作业 和侦探任务.机器龙虾采用8 条三自由度的腿推进, 每条 腿采用以镍钛诺合金为材料 的人工肌肉为驱动器, 并采 用神经元电路的控制器来实 现机器龙虾的各种行为。