[發(fā)明專利]一種仿生蝠鲼機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202211316011.1
• 申請日: 2022-10-26
• 公開（公告）號(hào): CN115877709A
• 公開（公告）日: 2023-03-31
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 黃豪彩;宋子龍;吳哲遠(yuǎn);王卿
• 申請（專利權(quán)）人: 浙江大學(xué)
• 主分類號(hào): G05B13/04
• 分類號(hào): G05B13/04
• 代理公司: 杭州天勤知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 33224
• 代理人: 彭劍

本發(fā)明公開了一種仿生蝠鲼機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制方法，包括：(1)在仿生蝠鲼機(jī)器人的柔性胸鰭上選取若干特征點(diǎn)，建立描述特征點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)模型；(2)對CPG控制器進(jìn)行改進(jìn)，引入幅值調(diào)節(jié)參數(shù)a和頻率調(diào)節(jié)參數(shù)ω改進(jìn)CPG控制器；(3)設(shè)計(jì)基于攝動(dòng)法的CPG控制器參數(shù)整定方法；(4)將改進(jìn)的CPG控制器與仿生蝠鲼機(jī)器人進(jìn)行耦合；(5)以改進(jìn)的CPG控制器作為控制胸鰭撲動(dòng)的底層運(yùn)動(dòng)控制器，以模糊控制器為高層決策控制器，搭建基于CPG模型的分層控制架構(gòu)，使用模糊算法控制CPG控制器的輸入?yún)?shù)a和ω，以實(shí)現(xiàn)對蝠鲼機(jī)器人運(yùn)動(dòng)速度的閉環(huán)控制。利用本發(fā)明，在控制器受到干擾后仍能快速收斂，繼續(xù)產(chǎn)生給定模式的周期信號(hào)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于水下機(jī)器人領(lǐng)域，尤其是涉及一種仿生蝠鲼機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制方法。

背景技術(shù)

近年來，為進(jìn)一步開發(fā)海洋資源、深入探索海洋，諸多學(xué)者著手水下機(jī)器人技術(shù)的研究工作，越來越多的水下機(jī)器人被應(yīng)用到具有挑戰(zhàn)性的水下任務(wù)。同時(shí)，任務(wù)要求的多樣化及探測環(huán)境的復(fù)雜化對水下機(jī)器人各方面的性能提出更高要求。當(dāng)前，由螺旋槳推進(jìn)器作為主要?jiǎng)恿Φ聂~雷狀或開架式水下機(jī)器人存在著推進(jìn)效率低、靈活性差和噪音大等缺點(diǎn)，且尚無妥善的解決策略。因此，對新型水下機(jī)器人的研究工作迫在眉睫。

仿生學(xué)(Bionics)作為一門新興學(xué)科，為機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展注入活力。諸多學(xué)者開始對水下生物結(jié)構(gòu)和行為的仿生學(xué)原理進(jìn)行研究，試圖從中得到啟發(fā)和指導(dǎo)。蝠鲼的撲翼運(yùn)動(dòng)方式以穩(wěn)定性好、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)和推進(jìn)效率高等優(yōu)點(diǎn)受到研究者的青睞，仿生蝠鲼機(jī)器人的研究成為當(dāng)前水下仿生機(jī)器人研究工作的焦點(diǎn)。

如公開號(hào)為CN110304223A的中國專利文獻(xiàn)公開了一種仿生機(jī)器蝠鲼，包括頭部艙、中心艙、一對胸鰭、尾鰭艙，所述胸鰭包括曲柄搖桿機(jī)構(gòu)和錐齒輪機(jī)構(gòu)，通過曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的協(xié)調(diào)周期運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)仿蝠鲼波動(dòng)式推進(jìn)；通過錐齒輪機(jī)構(gòu)與曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的配合實(shí)現(xiàn)蝠鲼胸鰭末端復(fù)雜閉合運(yùn)動(dòng)軌跡追蹤。

需要指出的是，當(dāng)前對仿生蝠鲼的主要研究集中于運(yùn)動(dòng)原理解釋、推進(jìn)效率的提高和仿生結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，如何實(shí)現(xiàn)仿生蝠鲼機(jī)器人有效控制的研究尚未完全展開，復(fù)雜流體環(huán)境下的系統(tǒng)建模、穩(wěn)定可調(diào)周期振蕩信號(hào)的產(chǎn)生、多模態(tài)運(yùn)動(dòng)的切換及平穩(wěn)過渡和多自由度協(xié)同控制等問題成為研究過程中的技術(shù)難點(diǎn)。

隨著對神經(jīng)生物學(xué)研究的不斷深入，從生物節(jié)律運(yùn)動(dòng)角度出發(fā)的仿生控制方法受到學(xué)者們的廣泛關(guān)注，中樞模式發(fā)生器(Central Pattern Generator，CPG)因模型參數(shù)化、自組織性、自適應(yīng)性等特點(diǎn)被應(yīng)用于模擬生物節(jié)律運(yùn)動(dòng)的底層控制器，這為仿生蝠鲼機(jī)器人的研究提供了思路。由于CPG高維度、非線性、強(qiáng)耦合的特點(diǎn)，只能通過數(shù)值方法對模型中的參數(shù)進(jìn)行分析，定量解析模型參數(shù)與系統(tǒng)性能之間的關(guān)系十分困難，只能采用實(shí)驗(yàn)試湊法進(jìn)行參數(shù)的整定，參數(shù)整定缺乏系統(tǒng)性、理論性。

仿生蝠鲼機(jī)器人動(dòng)力學(xué)建模困難是限制其發(fā)展的另一原因。由于蝠鲼在水中的運(yùn)動(dòng)涉及流體環(huán)境中的水動(dòng)力學(xué)模型，當(dāng)前難以精確建立其運(yùn)動(dòng)時(shí)的動(dòng)力學(xué)模型，存在極大的建模不確定性，因此也難以通過動(dòng)力學(xué)模型對蝠鲼的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提供了一種仿生蝠鲼機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制方法，在受到干擾后仍能快速收斂，繼續(xù)產(chǎn)生給定模式的周期信號(hào)，在改變振幅、角頻率等振蕩特性時(shí)，能夠利用極限環(huán)的漸進(jìn)收斂特性，在有限時(shí)間內(nèi)平穩(wěn)過渡，控制仿生蝠鲼機(jī)器人輸出環(huán)境適應(yīng)性行為。

一種仿生蝠鲼機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制方法，包括：

(1)在仿生蝠鲼機(jī)器人的柔性胸鰭上選取若干特征點(diǎn)，建立描述特征點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)模型，通過分析特征點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律描述柔性胸鰭的撲動(dòng)特征；

(2)對CPG控制器進(jìn)行改進(jìn)，引入幅值調(diào)節(jié)參數(shù)a和頻率調(diào)節(jié)參數(shù)ω改進(jìn)CPG控制器，通過上述參數(shù)調(diào)節(jié)CPG控制器輸出振蕩信號(hào)的特性；

(3)設(shè)計(jì)基于攝動(dòng)法的CPG控制器參數(shù)整定方法；