一种多关节机器海豚的翻滚运动控制方法

摘要

本发明公开了一种多关节机器海豚的翻滚运动控制方法。本发明通过对海豚前翻滚、后翻滚运动进行理论分析和系统研究，结合海豚游动的推进机理，提出机器海豚前翻滚、后翻滚运动的控制方法和实现步骤。由于机器海豚的前翻滚、后翻滚运动属于海豚的俯仰运动，因此本发明首先对海豚俯仰运动进行分析，将俯仰运动分为弯曲阶段和伸展阶段，并分别对两阶段进行分析，给出俯仰运动中关节转角的计算公式和关节的运动路径，控制机器海豚俯仰关节的运动。本发明能够精确控制机器海豚在运动中的俯仰角，实现机器海豚俯仰运动控制的精确性。

说明书

技术领域

本发明涉及仿生学领域，尤其是一种多关节机器海豚的翻滚运动控制 的方法。

背景技术

海豚，作为一种海洋哺乳动物，拥有令人惊叹的游泳技术和减阻能力。 海豚游动时，依靠尾柄和尾鳍的上下摆动及胸鳍的配合，游泳瞬时速度高 达11m/s。海豚改变运动速度和方向时，皮肤会产生褶皱来抑制湍流的作 用，从而大大降低水的阻力，使海豚的平均推进效率达到0.75～0.90之间。 另外，海豚拥有超强的转向机动性和灵活性，它的转向角可达561.6°/s， 旋转半径甚至可小于0.2个身长。鉴于海豚良好的机动性、灵活性和高效 性，在危险、狭窄、复杂的水下环境中的监测、侦探、攻击、救捞和维修 中具有良好的应用价值。

仿生机器海豚的研究包含了生物学、水动力学、自动控制、材料学和 机器人技术等多学科交叉问题，形态和机理比较复杂，在国际上尚处于起 步阶段。目前，国内外许多专家、学者和相关组织针对机器海豚的推进机 理、减阻机制和运动控制开展研究。Nakashima制造的两关节机器海豚， 胸鳍和尾鳍分别具有1个自由度。Dlgangil先后制造了四关节机器海豚和 五关节机器海豚。其中，四关节机器海豚以气动装置提供动力，五关节机 器海豚的胸鳍和尾鳍分别具有2个自由度。Fish团队一直致力于研究海豚 游动的推进能力和机动灵活性。“Gray’s Paradox”问题的成功解决，帮助我 们对海豚的推进机理、减阻机制和运动控制有了更深的理解。很多观点认 为海豚之所以具有如此惊人的特征，原因与其通过尾鳍的不对称摆动造就 的高度灵活的俯仰运动有关系。但是，目前为止，对海豚俯仰运动的研究 还处在起步阶段，俯仰运动产生的影响还需进一步研究。

发明内容

本发明的目的是提供一种多关节机器海豚的翻滚运动控制方法，以解 决仿生机器海豚的三维运动控制问题。该方法对海豚水下前翻滚、后翻滚 运动进行系统研究和理论分析，将前翻滚、后翻滚运动所属的俯仰运动分 为弯曲阶段和伸展阶段，建立伸展阶段的游动模型。同时，给出机器海豚 前翻滚、后翻滚运动的控制方法和实现步骤。

本发明所提出的一种多关节机器海豚的翻滚运动控制方法，其特征在 于，所述翻滚运动包括前翻滚运动和后翻滚运动，两种运动均由上仰和下 俯基本动作组合完成，在机器海豚的翻滚过程中，通过设置机器海豚的俯 仰角和各个俯仰关节的转动角，交替执行上仰、下俯动作，调整机器海豚 的质心和浮心的相对位置，获取相应的翻滚速度和转向力矩，以完成翻滚 运动。

本发明实现了对机器海豚俯仰运动的精确和灵活控制，首创机器海豚 的前滚翻运动和后滚翻运动两种动作，达成机器海豚垂直平面内的360° 旋转，验证机器海豚俯仰运动的高度机动性与灵活性。同时，本发明中的 俯仰控制算法精确控制机器海豚在运动中的俯仰角，获得机器海豚俯仰运 动控制的精确性。

附图说明

图1是仿生机器海豚结构示意图。

图2是仿生机器海豚俯仰运动伸展阶段分析示意图。

图3是仿生机器海豚前翻滚实验视频截图。

图4是仿生机器海豚后翻滚实验视频截图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实 施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

一、仿生机器海豚的机械结构

图1是仿生机器海豚结构示意图，如图1所示，仿生机器海豚包括刚 性前段身体2、具有多个俯仰关节的柔性后段身体6、尾鳍14、胸鳍片10、 背鳍片3、控制电路板9、陀螺仪11、压力传感器12、红外探测器8、移 动滑块1、配重铜块4、偏航关节5、俯仰关节7、尾柄13。

所述仿生机器海豚中，前段身体2与具有多个关节的柔性后段身体6 相连；前段身体2内部为中空结构，内部设置含有移动滑块1、控制电路 板9、电源模块、陀螺仪11、配重铜块4；前段身体2前部安装红外探测 器8用来避障，左侧安装压力传感器12用来测量水的压力，上侧安装电 源开关；移动滑块1中包括一个伺服电机，用于驱动俯仰关节J4，用来调 节机器海豚的重心；胸鳍片10和背鳍片3分别安装于前段身体2的两侧 和上侧，起平衡作用；后段身体6包含一个偏航关节5和三个俯仰关节7 (J₁、J₂和J₃)，均由直流电机驱动；偏航关节5控制机器海豚的偏航运 动；俯仰关节7产生机器海豚游动的推进力，控制机器海豚的俯仰运动； 尾柄13连接机器海豚的后段身体6和尾鳍14；尾鳍14随后段身体上下摆 动产生推进力；所有关节采用铝合金骨架相连；鱼皮为防水鱼皮。

该仿生机器海豚的三维尺寸约为(L×W×H)：560mm×240mm×160mm。 总重量约为：3.29kg。

下面结合附图对一种多关节机器海豚的翻滚运动控制方法给出详细 的说明。

二、机器海豚翻滚运动控制

机器海豚的翻滚运动属于海豚的俯仰运动，因此本发明首先对海豚的 俯仰运动进行分析。根据海豚俯仰运动的特征将俯仰运动分为弯曲阶段和 伸展阶段。弯曲阶段是指机器海豚的各个俯仰关节弯向身体同侧，身体形 态呈C形。该阶段持续的时间较短，主要是增加俯仰角度。伸展阶段是指 机器海豚的身体由弯曲形态恢复成直线形态。该阶段考虑到转向的反冲力 会对俯仰角产生负面影响，本发明采取减缓伸展速度，延长伸展持续时间 的措施。

机器海豚在水中俯仰，依靠后段身体和尾鳍的摆动提供动力。后段身 体在运动中，必然受到所排开水的阻力作用。当海豚速度恒定时，所受阻 力的大小与水的作用面积成正比。因此，为了减小运动中水的阻力作用， 应使水的作用面积最小。从理论上讲，后段身体的横截面是水作用面积的 最小截面，这意味着每个俯仰关节必须沿着它所在的体段的中轴线运动。 但是，俯仰关节是相互配合、相互制约的。因此，该方法在实际中并不可 行。

本发明采取的措施为使当前活动关节J_i后面的相邻关节J_i+1沿方 向运动。于是，得到约束条件：

$\left(\begin{array}{c}\frac{x_{i+1}^{\prime }-x_i}{x_i-x_{i+1}}=\frac{z_{i+1}^{\prime }-z_i}{z_i-z_{i+1}}\\ {(x_{i+1}^{\prime }-x_i^{\prime })}^2+{(z_{i+1}^{\prime }-z_i^{\prime })}^2=l_i^2\end{array}\right),$

其中，(x_i，z_i)表示关节Ji转动前的坐标，(x_i+1，z_i+1)表示关节J_i+1转动前的 坐标，(x′_i，z′_i)表示关节J_i转动后的坐标，(x′_i+1，z′_i+1)表示关节J_i+1转动后的坐标， l_i表示关节J_i和关节J_i+1之间的距离。

根据此约束条件，得到转动关节J_i的转动角度θ′_i：

其中，J_i-1′表示关节J_i-1转动后的所在点，J′_i表示关节J_i转动后的所在 点，J_i+1′表示关节J_i+1转动后的所在点，表示转动后关节段J′_iJ_i+1′在坐 标系对应的向量，表示转动后关节段J_i-1′J′_i在坐标系中对应的向量， 表示向量的长度，即关节段J′_iJ_i+1′的长度，表示向量 J_i-1′J′_i的长度，即关节段J_i-1′J′_i的长度。

根据上述条件，便可以控制机器海豚各个俯仰关节的运动，实现机器 海豚的俯仰运动。如图2所示：在图2a中，首先，俯仰关节J₁作为主动 关节全速转动，而其他俯仰关节J₂，J₃则作为被动关节，分别跟随其相邻 前一关节J₁，J₂转动，转动的角度由上述公式决定。在图2b中，关节段J₁J₂运动到水平状态，保持伸直，俯仰关节J₁停止转动。在图2b至图2f中， 关节J₂代替关节J₁作为主动关节转动，其后关节J₃作为被动关节跟随关节 J₂转动。在图2g中，关节段J₂J₃运动到水平状态，保持伸直，俯仰关节J₂停止转动，关节J₃代替J₂作为主动关节转动，直至水平状态。

本发明所述的机器海豚的翻滚运动，包括海豚的前翻滚运动和后翻滚 运动，因此分别设计了机器海豚前翻滚、后翻滚运动的控制方法。所述前 翻滚运动和后翻滚运动均由上仰和下俯基本动作组合完成。在机器海豚的 翻滚过程中，通过设置机器海豚的俯仰角和各个俯仰关节的转动角，交替 执行上仰、下俯动作，调整机器海豚的质心和浮心的相对位置，获取相应 的翻滚速度和转向力矩，以完成翻滚运动。

(1)机器海豚前翻滚运动

图3为机器海豚前翻滚运动的实验视频截图，如图3所示，机器海豚 的前翻滚运动控制方法进一步包括以下步骤：

步骤1.1，如图3a至图3c所示，机器海豚开始水平静置于水底，执 行前翻滚运动时，首先将所有俯仰关节在不超过限制角的前提下同时向背 面急速摆动，使机器海豚头部急速上仰，接着使用本发明所述的俯仰控制 算法，使海豚经过几个摆动周期后，以45°的俯仰角急速上升，推进整体 向上向前运动，使机器海豚脱离水底，运动到水池的中部，方便进行接下 来的动作，避免与水底发生刮蹭，其中，俯仰关节的限制角为俯仰关节最 大转动角，即俯仰关节所能转动的最大角度，其根据关节舵机的参数性质 以及机器海豚本身动作的限制来设定，本发明中机器海豚的三个转动关节 J₁、J₂和J₃的转角限制分别设置为：80°，65°和65°；

步骤1.2，如图3d所示，到达水池中部后，机器海豚使用同样的俯仰 控制算法，立即下俯，获得-45°的俯仰角，同时保证机器海豚仍然距水底 有一定距离；

步骤1.3，如图3e所示，机器海豚的三个俯仰关节轻微地向背面弯曲， 弯曲角度分别为20°，30°，40°，增加尾鳍向腹面拍动时划水的距离，为 步骤1.4中需要的较大的低头力矩做准备；

步骤1.4，如图3f至图3g所示，机器海豚以最大速度向腹面弯曲所有 俯仰关节，借助步骤1.3中的准备动作，产生非常大的低头力矩，使海豚 在极短的时间内，俯仰角超过-90°，此时，机器海豚的质心CM和浮心CB 反转，同时海豚开始向前滚转；

步骤1.5，如图3h至图3i所示，此时，借助刚才急速下俯时产生的较 大的角速度，以及质心CM和浮心CB反转带来的额外的低头力矩，海豚进 一步前滚，当机器海豚的俯仰角接近-270°时，机器海豚的质心CM和浮心 CB再次反转为质心在下、浮心在上的正常状态，此时，机器海豚伸展其 尾部，使用本发明所述的俯仰控制算法继续下俯运动，进一步减小俯仰角；

步骤1.6，如图3j至图3k所示，在此后的翻滚过程中，机器海豚利用 已获得的转向速度，继续弯曲身体和翻滚，直到头部处于竖直状态；

步骤1.7，如图3l所示，最后，机器海豚通过进一步的俯仰运动调整 俯仰角，使身体恢复到水平状态，并向前游出或停止，完成一次前翻滚运 动。

根据实验数据，可以获悉机器海豚身体弯曲的持续时间约为 t_tuck≈0.666±0.122s，其尾鳍的旋转角与时间的关系式为：

β_front＝1726.4t³-1724.7t²+255，t∈[0，0.666]。

在整个前翻滚过程中，机器海豚所受力矩符合下列等式：

$J_D\stackrel{··}{\theta }=M_F^{\prime }+M_f^{\prime }+M_G$

$M_F^{\prime }=\left(\begin{array}{c}-\frac{1}{8}\rho {\stackrel{·}{\psi }}^2\{W_p{C}_c{L_p}^4+W_c{C}_F[{(L_p+L_c)}^4-{L_p}^4\left]\right\},t\in [t_0,t_0+t_{\mathrm{tuck}}]\\ 0,t>t_0+t_{\mathrm{tuck}}\end{array}\right)$

$M_f^{\prime }=\left(\begin{array}{c}-\frac{1}{8}\mathrm{sign}\left(\stackrel{·}{\theta }\right){\stackrel{·}{\theta }}^2\rho W_a{C}_c{L_a}^4,t\in [t_0,t_0+t_{\mathrm{tuck}}]\\ -\frac{1}{16}\mathrm{sign}\left(\stackrel{·}{\theta }\right){\stackrel{·}{\theta }}^2\rho (W_a{C}_c{L_a}^4-2W_c{C}_F{L_p}^4),t>t_0+t_{\mathrm{tuck}}\end{array}\right),$

$M_G=\left(\begin{array}{c}{\mathrm{mgd}}_{0}t\cos \left(\stackrel{·}{\theta }\right)/t_{\mathrm{tuck}},t\in [t_0,t_0+t_{\mathrm{tuck}}]\\ {\mathrm{mgd}}_0\cos \left(\stackrel{·}{\theta }\right),t>t_0+t_{\mathrm{tuck}}\end{array}\right)$

其中，J_D表示机器海豚的转动惯量，表示机器海豚的角加速度，M′_F表示冲力力矩，M′_f表示阻力力矩，M_G表示质心CM与浮心CB差异产生的 力矩，ρ表示水密度，表示冲力产生的角速度，W_p表示背腹摆动部分的 宽度，C_c表示圆柱体在水中所受的阻力系数，L_p表示机器海豚背腹摆动部 分的长度，W_c表示尾鳍宽度，C_F表示方形平面在水中所受阻力系数，L_c表 示机器海豚的尾鳍弦长，t₀表示机器海豚身体弯曲的开始时间，t_tuck表示机 器海豚身体弯曲持续时间，表示机器海豚的角速度，W_a表示机器海豚前 部身体投影宽度，L_a表示机器海豚前部身体长度，m表示机器海豚的质量， d₀表示质心CM与浮心CB间的最大距离。

(2)机器海豚后翻滚运动

机器海豚的后翻滚运动相对于前翻滚更加困难。原因是由于机器海豚 上半身体和下半身体的重量不同，致使海豚重力在前翻滚、后翻滚运动中 起到的作用也不同。机器海豚后翻滚运动时，在最初的270°旋转过程中， 重力一直是翻滚运动的阻力。因此，机器海豚此刻完全依靠自身的推进力 来实现前270°的旋转。

图4为机器海豚后翻滚运动的实验视频截图，如图4所示，机器海豚 的后翻滚运动控制方法进一步包括以下步骤：

步骤2.1，如图4a至图4e所示，机器海豚所有俯仰关节在不超过限 制角的前提下向背面急速摆动，使机器海豚头部急速上仰，接着使用本发 明所述的俯仰控制算法，海豚经过几个摆动周期后，运动到水深中央并最 终将俯仰角增加到90°，机器海豚此时呈现为竖直向上姿态；

步骤2.2，如图4f至图4h所示，机器海豚的俯仰关节J₁急剧向腹面方 向弯曲50°，使得机器海豚的质心CM位于其浮心CB的背面一侧，从而使 机器海豚在腹面向上、背面向下的颠倒状态下仍然保持足够的静稳定性；

步骤2.3，如图4i所示，此时，机器海豚的俯仰关节J₂作为俯仰控制 算法中的主动关节，继续进行上仰运动，直到俯仰角超过220°，然后，机 器海豚轻微向腹面伸展所有俯仰关节，增加尾鳍向背面拍动时划水的距 离，为步骤2.4和步骤2.5中需要的较大的抬头力矩做准备；

步骤2.4，如图4j至图4k所示，机器海豚以最大速度朝背面摆动所有 的俯仰关节，使身体急速抬头旋转；

步骤2.5，如图4l至图4m所示，借助步骤2.3和步骤2.4中积累的角 速度与质心浮心反转带来的额外的抬头力矩，机器海豚快速滚转，直到俯 仰角达到360°；

步骤2.6，如图4n所示，俯仰角到达360°之后，必须立即伸展各个俯 仰关节，使俯仰角保持在360°，否则海豚会进一步在质心CM和浮心CB所 产生的抬头力矩下滚转至450°俯仰角，从而使后滚翻失败；

步骤2.7，如图4o所示，机器海豚恢复成水平状态后，游出或停止， 完成一次后滚翻运动。

根据实验数据，可以获悉机器海豚身体弯曲的持续时间约为 t_tuck≈0.575±0.118s，其尾鳍的旋转角与时间的关系为：

β_back＝1893.6t³-1633.2t²+180，t∈[0，0.575]。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行 了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而 已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修 改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。