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研究人员受仿生学启发,研发新型步行机器人!

http://www.b2b.hc360.com 中国金属加工网 信息来源:Author发布时间:2020年11月11日浏览:318
形态学是任何行走实体、动物或机器人的定义特征,在获得运动的灵活性、灵活性和耐久性方面是至关重要的。生物学家和工程师之间的合作为在行走机器人中实现仿生形态学创造了机会。然而,对于这种跨学科合作以及应该使用什么工具,几乎没有指导。研究人员提出了一个将动物形态转移到机器人的发展框架,并通过复制金龟子蜣螂的能力来证实它,金龟子使用相同的形态来移动和操纵物体。因此,研究人员证明仿生粪beetle-like机器人的优点,α,以及其形态优于传统的昆虫通过增加(1)步长50.0%,(2)向前和向上达到95.5%,并降低整体汽车加速7.9%,(3)和(4)步频率21.1%的步行速度。因此,仿生机器人有更长的和更少的步长,以降低引起疲劳的冲动,更多样的步长模式,并可能更好地利用其工作空间克服障碍。因此,研究人员将演示如何使用该框架来开发具有仿生形态、体现更大运动灵活性、灵活性和耐用性的有腿机器人。
相关论文以题为“Framework for Developing Bio-Inspired Morphologies for Walking Robots”于北京时间2020年10月07号发表在《Applied Sciences》上。
行走机器人的形态往往与动物高度抽象,具有相同数量的肢体和身体部位的位置。在更深层次上再造动物活动能力的仿生机器人需要生物学家和工程师之间密切的跨学科合作。开发这种仿生机器人的潜在好处包括提高运动的灵活性、灵活性和耐用性,以及使用相同的肢体进行运动、抓握、挖洞和操纵物体等其他有用功能。通过研究动物的具体特征和测试它们在机器人中的区别,人们对这些特征的理解有所提高,这将有利于生物学和工程学的研究。在机器人系统中重现动物的具体特征的能力,也有力地证明了目前对动物功能原理的理解的可行性。
仿生步行机器人领域可以分为两大类:模板模型和锚点模型。模板模型是对动物形态的简化复制,可以加快动物的发育,突出形态学的核心原理。四足机器人,如Mini Cheetah和Hubodog2,都是模板模型的例子,其形态学支持特定的控制原理,并提供稳定的机制(图1a)。锚模型更精确地再现了动物的形态,以突出其独特的体现特征。例如,Pleurobot是一个受蝾螈启发的四足锚模型,能够模拟游泳和步态模式。

研究人员受仿生学启发,研发新型步行机器人!

图1.行走机器人 的(a)4足和(b)6足3自由度(DOF)模板形态的图示。在每个图形上,自由度(DOF)的线段和电机都用颜色编码,其中红色表示DOF1,蓝色DOF2和绿色DOF3。
大多数机器人在模板或锚之间的某个光谱上,从规定的和简单的模板模型开始,向动物的具体行为的更精细的表现过渡。四足机器人Serval被描述为介于两种模型类型之间,其模板式设计和控制也有轻微的仿生影响。
六足模板模型,如AMOS和MORF,通常具有相似的运动学,例如马达的放置,相同的腿和腿关节,它们的角度可以使腿垂直或水平移动(图1b)。关节角与偏航,滚,或者俯仰轴可以简化控制器的开发,以及减少电动机的转矩(DOF1)第一自由度运动(图1 b),从昆虫形态完全不同,一个关节将会影响肢体的运动轴。
据介绍,这两款六足机器人Lauron V和Hector的腿呈类似于粘昆虫的角度。这些锚模型的例子证明了由于具有更高的速度和运动学灵活性而增加的机动性。蜣螂的形态被测量并用作一个模拟机器人的模型,证明它的锚点形态在站立和操纵球形物体上都超过了它。
因此,研究仿生机器人模型可以发展生物学和工程学假说。然而,这确实需要正式的跨学科的知识交流。侧重于提供动物模型形态复制所需的测量方法,不是生物学研究的标准。同样,只有少数工程研究关注于研究生物学假说。
在本研究中,研究人员提出了一个生物学家和机器人专家合作的框架,并通过一个案例研究演示了其仿生开发过程,该案例研究利用机器人ALPHA模拟了屎壳郎物种金龟子的形态和功能。
随后,他们的仿真评估了仿生形态学对ALPHA性能的影响,并将其与传统六肢动物的性能进行了比较。为了突出仿生形态学的基本性能,没有介绍ALPHA的复杂控制器。仿真代替了构建的原型(图2b),以避免物理测试和控制器特定行为的不变性。因此,该分析为仿生形态学在通用性、灵活性和耐久性方面的基本性能提供了见解,这可以帮助控制工程师在以后的工作中开发更好的步态模式。

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图2. 非洲滚球粪便甲虫(照片:Emily Baird)(a)和受粪便甲虫启发的机器人ALPHA(b)。
动物模型的选择
在本研究中,研究人员以金龟子蜣螂作为他们的生物模型。仅金龟子亚科中就有5000多种蜣螂,每一种都能以不同的方式采集特定的食物。这些收集技术可分为三类:(I)使粪球成型并滚动的滚球机;(II)将粪球直接埋在粪垫处的隧道工;(III)在粪垫中繁殖的动物。
基于能力和动力学,研究人员选择滚动球蜣螂S. galenus作为生物实验对象(图3a)。它们的身体和腿(图3b),像其他蜣螂一样,特别适合在崎岖的地形上行走,有各种各样的移动模式,还可以通过挖掘洞穴、塑造、举起或滚动超过它们体重的物体来操纵周围环境。盖里纳斯能够忍受高温和微粒水平的恶劣环境,以及很少的阴影和水。最后,盖勒纳斯可以利用天文罗盘在食物来源和洞穴之间导航。因此,在机械强度、机动性和导航方面,S. galenus是一个很有前途的机器人系统原型。

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图3. 粪甲虫Scarabaeus galenus(a)的侧视图,初始充满μ粪甲虫的CT扫描(b)和Autodesk Inventor中胸腔和腹部的精确模型,并根据矢状和横断面进行测量(c)。
开发生物启发性形态的框架作为开发ALPHA的工具被证明是极大的帮助,并确保了原型能够高度复制生物形态(表1)。将甲虫的形态应用于模拟,以研究其在六足动物中的优势。但是,通过使用生物启发的发育,使用ALPHA六足动物(图2b),以及对昆虫形态的更定量研究,在复制生物形态方面获得了更高水平的详细信息。在不久的将来,将需要对框架进行进一步的研究,包括更多用例。在这里,提出的框架可以用作进一步研究生物启发形态的基础。
表1. ALPHA和gal.us的腿结构。尺寸以度和毫米为单位。在尺寸上,ALPHA和盖氏链球菌之间的比例因子为22:1 。

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分析性能参数的分析(表2)显示,与模板形态相比,ALPHA的锚点形态具有更高的性能。由于其DOF2电动机很快达到了最大输出,因此仿真的模板脚只限于较短的步骤,这是因为三个电动机之间的负载分配不均(图4)。DOF2电机的负载是DOF1和DOF3电机总和的2.7到3.0倍。DOF1电动机几乎没有负载,因为腿的质量力矢量平行于其旋转轴。同时,在DOF1或DOF2电动机过载之前,锚腿在所有三个电动机上的扭矩负载分配得到了改善,从而使作用范围扩大了50.0%。在此,DOF2电机是在向后方向到达时的第一个过载电机,而DOF1电机是在向后方向到达时过载。因此,锚固件在电动机上的扭矩负载分配得到了改善,从而可以实现更大的步长,路径中更多的运动选择,从而实现更大的运动多功能性。

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图4. 在整个分析过程中使用的CoppeliaSim仿真设置,用于测量和比较具有(a)模板形态和(b)锚固件形态的腿部的电机转矩。每条腿的负载为2.0千克,其起点位于地面0.08 m处。还描述了第一个测试的步进间隔,其中步进线在原点横向0.20 m处。白色箭头指示前进方向。
表2. 模板和锚点形态的性能比较

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结论
本文提出了一种基于生物形态学的步行机器人开发框架,并以蜣螂为原型的机器人ALPHA为例进行了实例研究。框架被证明使步行机器人的发展与传统优势昆虫等关键性能参数的设计多功能性运动(1),灵巧(2),和耐用性(3)。此外,复制和更大的知识系统是通过结构化开发和强大的生物形态的输入数据。
模拟证明了锚昆虫形态具有重要的优势获得一个模板昆虫形态学,所获得的第一个关节的横滚和俯仰角度每条腿(表1)。例如,模板形态仅限于短步的长度0.18米过载,之前由于不相称的负载在其第二电机。同时,改进的锚点形态电机上的扭矩分布使步长50.0%。同样的,研究人员发现锚点形态的灵巧度和到达、踏上、穿越物体和障碍物的能力比其他形态的灵巧度高95.5%。
此外,研究人员发现锚点形态学的性能比模板形态学更容易进一步升级和改进。这些优点适用于所有对的腿:前腿、中腿和后腿。最后,我们发现作为交换,锚点形态有稍高的功耗。
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