机器人运动控制 仿生机器鱼多模态运动CPG控制及优化

第1章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 仿生机器鱼主要研究内容 2

1.3 仿生机器鱼的研究目的及意义 3

1.4 CPG及CPG控制方法 4

1.4.1 CPG及其特点 4

1.4.2 CPG控制方法 5

1.5 机器人CPG控制的国内外研究现状 7

1.5.1 CPG原理在机器人控制领域的应用 7

1.5.2 机器人CPG控制的国外研究现状 7

1.5.3 机器人CPG控制的国内研究现状 10

1.6 CPG数学模型 13

1.6.1 CPG模型简介 13

1.6.2 CPG生物学模型 14

1.6.3 递归振荡器模型 16

1.6.4 相位振荡器模型 18

1.6.5 CNN模型 19

1.6.6 VanderPol神经元振荡器 20

1.6.7 环堆栈模型 20

1.7 CPG控制的系统实现及未来发展 21

1.7.1 CPG控制的系统实现 21

1.7.2 CPG控制的发展方向 22

本章参考文献 24

第2章 仿生机器鱼本体设计 39

2.1 引言 39

2.2 鱼类学基础 40

2.3 鱼类游动的物理模型及特征参数 42

2.4 鱼类游动的运动学模型及优化 44

2.4.1 鱼类运动学模型的简化 45

2.4.2 鱼体波曲线方程的改进 48

2.4.3 仿生机器鱼的设计参数优化 48

2.5 机器鱼设计中的几个水动力学问题 50

2.5.1 水动力学外形的设计 50

2.5.2 重心和浮心的平衡 51

2.5.3 驱动电机最大扭矩的估算 51

2.6 机器鱼运动学模型的数值仿真 52

2.7 仿生机器鱼的设计步骤 55

2.8 仿生机器鱼机构设计 56

2.8.1 偏航头部设计 57

2.8.2 多自由度胸鳍机构设计 58

2.8.3 多关节鱼体及尾鳍设计 59

本章参考文献 59

第3章 耦合CPG的机器鱼动力学建模 61

3.1 引言 61

3.2 仿生机器鱼动力建模 62

3.2.1 仿生机器鱼受力坐标系建立 62

3.2.2 仿生机器鱼受力分析 64

3.2.3 仿生机器鱼动力学建模 66

3.3 耦合CPG的仿生机器鱼动力学仿真 69

3.4 仿生游动控制实验 75

本章参考文献 76

第4章 仿生机器鱼运动CPG控制 78

4.1 仿生机器鱼CPG建模 78

4.1.1 神经元振荡器 78

4.1.2 仿生机器鱼CPG模型 82

4.1.3 CPG模型参数调节 86

4.2 仿生机器鱼CPG控制游动实验 90

4.2.1 仿生机器鱼样机研制 90

4.2.2 CPG控制游动实验 92

本章参考文献 98

第5章 CPG反馈控制与多模态运动 100

5.1 引言 100

5.2 CPG反馈控制方案设计 101

5.3 CPG反馈控制建模与分析 102

5.3.1 CPG内部耦合反馈信号建模 102

5.3.2 CPG输出部耦合反馈信号建模 105

5.3.3 高层感觉反馈控制建模 107

5.4 运动模态选择与切换控制 110

5.5 多模态运动实验：机器海豚游动实验 112

5.5.1 机器海豚设计与样机研制 112

5.5.2 机器海豚运动仿真 113

5.5.3 机器海豚多模态游动实验 116

5.6 多模态运动实验：两栖机器人实验 120

5.6.1 两栖机器人设计与样机研制 120

5.6.2 两栖机器人CPG控制建模 122

5.6.3 两栖机器人水陆切换实验 127

本章参考文献 129

第6章 仿生机器鱼CPG控制优化 131

6.1 基于CPG的倒游控制 131

6.1.1 倒游控制实现 131

6.1.2 两类仿鲹科机器鱼倒游运动控制方法对比 132

6.2 CPG模型收敛速度优化 138

6.3 基于PSO的CPG控制优化 141

第7章 总结与展望 148

7.1 总结 148

7.1.1 仿生机器鱼本体设计与样机研制 148

7.1.2 仿生机器鱼动力学建模 149

7.1.3 仿生机器鱼CPG控制建模 149

7.1.4 CPG反馈控制与多模态运动 150

7.1.5 仿生机器鱼CPG控制优化 150

7.2 仿生机器鱼CPG控制展望 151

7.2.1 仿生机器鱼机械本体-CPG-环境系统的稳定性研究 151

7.2.2 在线学习与环境适应性研究 151

7.2.3 新材料、新结构与CPG控制 152

7.2.4 CPG控制的工程设计方法 152