英语原文共 6 页

2011年IEEE国际专题讨论会议纪要

安全保障救援机器人

京都,日本,11月1日-11月5日,2011

基于BCF模式的仿生机器鱼设计、建模及开环控制

1 Abhra Roy Chowdhury Student Member, IEEE, Bhuneshwar Prasad, Vinoth Kumar,

2 Rajesh Kumar Senior Member, IEEE and ¹ S K Panda Senior Member, IEEE

摘要—本文研究了一种基于鱼类仿生学设计的水下航行器。随着水下机器人应用的不断发展，寻找一种高效的推进技术至关重要。目前的研究主要集中在仿生推进的应用上，它模拟鱼尾的波动，即正弦振荡。目的是模仿推进离子技术的BCF模式，血管状游泳风格，以令人印象深刻的速度有效地在长距离游泳。首先从Solidworks中的CAD建模开始，接着在MATLAB VRML中进行三维运动仿真，通过开环仿真以及提供的实验结果以说明所提出的方法的有效性。

关键字 – 仿生, 机器人, BCF, 运动学建模, 拉格朗日-欧拉方程, Solidworks, Matlab VRML.

1. 简介

近

十年中，仿生机器人或仿生技术[1]的多方面贡献一直在不断增加。仿生学反映了自然进化的特征和能力，而这种特征或是能力可以在特定系统中被有效地复制或模仿，以设计新技术及对传统方法的改进。其中一个重要的焦点技术是自主水下航行器[2]的发展，这是无人水下监视和无人驾驶技术日益受到关注的重要组成部分。一个重要的特点是水下环境中尚未开发和动态的区域以及水下探测、污染源跟踪、水下考古学、水下搜索和救援等等。在水下航行器的设计中，使用仿生学的方法，也就是受自然启发的方法，用于设计适合于机器的运动方式。而这种方式，实用性极高。关于水下生命演化及其多种运动方式的研究[5]长期以来一直是生物学界感兴趣的课题。鉴于仿生研究的新奇性，工程师们开始了进一步的任务，即建立机制，以显示或复制水下动物的行为，游动的方式以及生理的结构等。就目前阶段而言，大多数自主水下航行器的常规设计都以螺旋桨为主要推进方式。

1 电气工程与计算机工程部

新加坡国立大学，新加坡117576。

(e-mail: a0079791@nus.edu.sg, eleskp@nus.edu.sg ).

2 电气工程部, Malviya国家技术学院，印度斋浦尔。

(e-mail: rkumar@mnit.ac.in ).

以螺旋桨为基础的运动虽然对水下运动作出了初步的回答，但也提出了操纵性高、效率高、功耗低的问题。科学界和研究人员还发现螺旋桨撞击会产生更多的海洋废弃物[6]，海洋生物的死亡和浅水生态系统的紊乱。螺旋桨产生的宽带噪声对海洋野生动物有严重的声学影响。 仿生或鱼形的机器人预计将更安静，更机动(较少的事故)，并可能更节能(更多的任务)。起伏翼机器人可以保持周围环境的不受干扰状态，用于数据采集和探测(隐身)。 在没有产生涟漪和漩涡的情况下，鱼在水中的运动更有理由为水下运动选择一种生物启发的设计。 考虑到现有鱼类模式的推进特性[5]，本文提出了一种将类鱼游动与模块化环节和鳍运动相结合的新的推进机制。该机器人将能够实现快速和高效的鱼样游泳。本文主要研究了一种基于BCF(体尾鳍)[4][5]的原型系统的建模、仿真和开发研究。本文的工作明确了我们的模型对于速度和可操作性的有用性。介绍了一种推进机械样机的构造。.

目标和范围显示了该项目的目标和边界。由于机械系统的复杂性，本文重点研究了利用机器人动力学推导建立线性系统模型的方法。仿真方法是在MATLAB SIMULINK中实现的，该仿真方法是用工具箱SIMMERICICS和VRML实现，再利用Solidworks设计并开发了样机的机械硬件模型。本工作的科学方法和贡献如下：

• 基于物理(CAD)数据、动力学分析和工程假设，建立了机器鱼的数学模型。
• 开发了一个机器人鱼设计的Solidworks模型。
• 借助Matlab-Simulink中的虚拟现实建模语言VRML(虚拟现实建模语言)，开发了原型模型的三维仿真。
• 论证了用一个摆动尾鳍和两个胸鳍推进的柔性体形机器鱼(Robo-Fish)的可行性。
• 鱼类游泳的简化动力学和运动学的集成是与以前的工作相比较的[10]。
• 设计一个易于在线实现的线性控制器，该控制器利用基于非线性模型的控制律来减少系统的非线性度并进行转换。它适用于一个简单的双积分器系统[线性化]。

由于机械手模型的不精确性，与传统的数字计算机相比，在数字计算机上的离散化实现，在实际操作中很难达到理想的性能和理想的连续时间控制律。

这篇论文组织如下。第二节对鱼类游泳的推进机制进行了综述，介绍了BCF游泳模式[5]在鱼类中的应用。第三节阐述了样机的设计特点和特点。并对其进行了运动学和动力学建模研究。此外，还介绍了Solidworks的设计。利用虚拟现实建模语言VRML工具箱对机械样机进行了集成MATLAB的模拟力学及其三维仿真。 然后，第四节给出了开环仿真的结果，并给出了四个关节的实验结果，从而产生了人体运动的波动。第五节讨论了结论和今后工作的方向。

1. BCF模式鱼类游泳综述

鱼有不到身体长度的能力，从站立开始，它们就可以快速地加速，只需在10克以上的水平上轻轻拍一下尾巴。洛科莫鱼类中的离子是通过一系列的较小的肌肉系统来完成的，这些肌肉沿着鱼的身体在波浪中收缩[3][4]。一旦它们开始活动，鱼类就会利用它们的感觉系统探测它们的尾巴所产生的漩涡，并“推开”旋涡，从而使它们成为非常有效率的游泳者。这种利用感官反馈的能力使它们能够避免明显的变化。在水下环境中尽可能灵活，快速机动。

鱼类运动的推进过程要么是波动运动，要么是振荡运动。在这两种方式中，身体结构和鳍段对产生推进的贡献最大。鱼游通过使用[3][5]：

• • 身体和尾鳍(BCF)运动
  • 中位和/或配对鳍(MPF)运动
  • BCF与MPF的结合[7]运动

有各种各样的不同类型的鱼类推进机构。其中最常见的两类是周期性游泳和短暂游泳。后者用于快速启动，e机动和转弯。定期游泳用于稳定、持续的运动。1926年，Breder等人提出了鱼类周期游泳的分类[6]。根据这一分类，游泳有两大类：身体和/或尾鳍运动(BCF)和中鳍和/或配对鳍运动(MPF)。使用BCF运动的鱼类主要将身体后半部分弯曲成一个向后移动的推进波，并延伸到尾鳍，而使用强积金运动的鱼类则使用它们的其他鳍持续运动。

由于85%的鱼类使用BCF运动，本文将重点放在这种推进方式上。 在推进体和/或尾翼推进的基础上，可分为5个种类[3][5]: 鳗形，次腕形，心形，弓形和介形。 安圭拉形游泳涉及波动运动，这意味着横波是通过整个身体移动。介形游泳者产生振荡运动，其中推进式泳动在没有波浪形成的情况下旋转。次腕形，心形，弓形运动按这两种类型的比例排序，介于波动运动和振荡运动之间。两次最常见的鱼体是类肉质，其中淡水大口鲈鱼就是一个例子。血管状游泳者通常有快速摆动的尾巴。在这种类型的机车上大部分的运动都集中在身体的尾部和尾部。另一种是弓形，金枪鱼就是一个例子。在这里，尾巴本身往往是大而类似于新月的形状。这两种身体类型并不完全不同，但是都能进行快速的游动 。本文试图将这两种游泳形式的特点结合起来，设计出一种新的模型。

1. 系统模型

如图1所示，BCF模式的血管状运动方式[2]是由四个驱动关节组成的4连杆机构(包括附在头部的胸骨)来近似的。第一个环节是“头部”，功能是“身体”，大约是整个机器人重量的三分之二。 机器人的“尾巴”是通过第三和第四节连接到尾鳍和胸肌的第二个环节形成的。我们的机制是一种合理的近似于BCF模式的游动方式，因此，对该模型的小修改应在分析游动方式时具有广泛的应用价值。具体而言，本文提出的方法和技术适用于身体的后部，具有任意程度的关节甚至完全的灵活性。

任何刚体[8]的动力学都可以完全通过质心的平移和物体围绕质心的旋转来描述。通过定义各连杆的惯性力矩和连接链的反应力矩，导出了所描述的四连杆系统的动力学方程。这导致了产生所需的尾部运动所必需的致动器力矩的能力。并且这些联系在两个主要方面是相互依存的：:

• 由连杆产生的扭矩在其他连杆上产生反应力矩。
• 连杆的运动改变了连杆的形状，改变了以前连杆所看到的惯性。

本文所采用的方法是建立仿生鱼系统的线性化动力学模型，其中两个主要章节是：

1. 德纳维特-哈滕贝格(DH)运动学模式[9]：机器人鱼类系统中由于关节的平移和旋转而产生的动力学和水动力(非线性)。.

图1：头部和惯性参照系的局部坐标系的相对方位和位置。

1. 拉格朗日动力学模型[9]：动力学由动力学和势能产生的每个环节和惯性的自由流动水在仿生鱼模型系统。

在描述图1所示模式的运动学和动力学时，连杆执行器-轴构成惯性参照系。每个自由度都有一个局部坐标系，链接段的约束和约束。坐标帧按照标准德纳维特-哈滕贝格表示法[9]分配。

运动副和自由度参数(如图1所示)

关节角(theta;_i)：从X _i-1轴到X_i轴围绕Z _i-1轴旋转的角度.如果关节I是旋转的，则为关节变量。

• 关节距离(d_i)：从(i-1)坐标系的原点到Z _i-1轴和X_i轴沿Z _i-1轴交点的距离。如果联合i为，则为联合变量。
• 连杆长度(a_i)：从Z _i-1轴和X_i 轴的交点到沿X_i 轴的第i坐标系原点的距离。
• Link twist angle (alpha;_i): the angle of rotation from the Z _i-1

axis to the Z_i axis about the X_i axis. Reference Frames:

• F_I 机械手基础系统的惯性框架
• F_B 位于基座质量中心的基座框架
• D_i F_i 相对于F₀的位置和投影到帧F₀上的位置。
• r_i 链路I上点相对于F₀的位置.
• rho;_i 点在链路I相对框架上F_i的位置 .
• b 基座相对框架上点F_B的位置 .
• b_B 底座相对于框架点F_I的位置 .
• v_i F_I点相对于框架的速度.
• v_B 底座相对于框架点F_I的速度 .

表1.仿生鱼模型的连接参数。

根据标准的德纳维特-哈滕贝格规定，已为分配的帧确定了连接参数。表1总结了连接参数。

广义运动方程

I本文利用拉格朗日-欧拉公式[9]给出了自由度基础的动力学方程。

d ( 6L˙ ) — 6L = tau;

• F_i 机械手第一连杆的坐标框架。

向量:

• r_B位置的框架F₀相对于和投影到框架F_B。

其中,

dt 6p˙ı

6p˙ı i

hellip;. (1)

• r_I 框架F₀相对于F₀的位置及投影到 F₀上的位置

拉格朗日函数被定义为

L = K-P

hellip;. (2)

其中,

K: 机器人的总动能

P: 机器人的总势能

q: 第一次关节的关节变量

qrsquo; : 关节变量的第一次导数

tau;: 第一次联接时的广义力(扭矩)

方程的右边是施加在基座上的外力或力矩，如推力器、控制射流或动量陀螺运动方程。

n n n

v_i = Sigma; D_ikquml;_k Sigma; Sigma; h

资料编号：[4708]

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