能够执行3D喷气推进和操纵的新型机器人水母黎瑞恩
能够执行3D喷气推进和操纵的新型机器人水母
作为灵感的来源,鱼类,鲸类和水母等水生生物可以激发创新设计,以改善人造系统在水生环境中运作并与水生环境相互作用的方式。
在自然界中,水母通过使钟形物体径向膨胀和收缩以将水推向身后,从而在周围环境中自我推动,这被称为射流推进。
与将水母描述为低效率游泳者的普遍观点相反,水母已被证明是能量效率最高的游泳者之一
即已经表明,如果需要低能量推进,则类似水母的游泳将具有显着的推进优势。因此,在过去十年中,在受到生物启发的水下航行器的背景下,水母的运动引起了极大的兴趣。
最近,来自中国科学院自动化研究所的研究人员在中国北京成功开发了一种新型机器人水母,该机器人水母基于增强学习方法可以执行三维水母般的推进和操纵。
研究人员结合了机电设计,材料,电子学和控制方法的最新进展,致力于开发智能执行器以制造各种机器人水母。
通常与传统电动机驱动的机器人水母相比,这种机器人水母经常被束缚并且速度较慢。现有的大多数机器人水母无法自由地调整其三轴姿态,这对自由游动推进和合理的应用产生了不利影响。
机器人水母快照执行垂直和水平游泳交织的混合动作。
为了解决这个问题,由中国科学院自动化研究所的于俊志教授领导的研究小组研究了如何设计和控制具有生物启发性的,能够驱动3D运动的类水母机器人系统。
设计的机器人水母以Aurelia aurita为模型,该水母具有相对较大的排量,特别适合用于大负载能力。
它高约138毫米,重约8.2千克。如图1所示,机器人水母呈半球形,由钟形刚性头,圆柱状主腔,四个独立的六连杆机构和柔软的橡胶皮组成。
为了增强机器人水母的可操纵性,引入了在腔体内组装的重心调节机构。通过在垂直或水平方向上或在两者的组合中调整两个块的权重,可以实现姿态调节。
在自然界中,水母使用喷射推进器在水中运动,这已被证明是地球上最节能的游泳者之一。
因此,在过去十年中,在受到生物启发的水下航行器的背景下,水母的运动引起了极大的兴趣。现在,北京的研究人员已经开发出一种新型的机器人水母,能够执行类似垂直和水平水母的推进和操纵。
于俊志教授说:“由于它是一个高度非线性,强耦合和时变的系统,因此很难为类海el游泳建立精确的动力学模型。”
“同时,动态水生环境中的参数不确定性和外部干扰会通过解决逆运动学问题而导致难以推导控制律。” 因此,提出了一种针对机器人水母的基于强化学习的闭环姿态控制方法,该方法可以通过与环境的直接交互来解决最优决策控制问题,特别是不需要动态建模。
最后,基于强化学习的姿态控制方法的建议使自主的姿态调节成为可能。Yu指出:“与大多数其他机械手水母相比,内置机器人显示出较高的结构灵活性和偏航机动性。” 他还强调说,这种具有3D运动的自推进式机器人水母对于具有敏捷性的喷气推进系统的生物启发设计具有重要意义。
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