基于MPC的仿生尺蠖机器人运动控制 被引量：2

1

作者 杜巧玲 薛成泽 郑伟 《沈阳工业大学学报》 北大核心 2025年第1期124-129,共6页

【目的】随着科技的日新月异,人们的生活环境也在发生着巨大的变化。工业化的聚集以及人口密度的增加促使建筑不断向上增高或向下延伸,出现了很多人们不方便到达或是无法到达的地方,但这些地方机器人却可以到达。目前机器人最热门的研... 【目的】随着科技的日新月异,人们的生活环境也在发生着巨大的变化。工业化的聚集以及人口密度的增加促使建筑不断向上增高或向下延伸,出现了很多人们不方便到达或是无法到达的地方,但这些地方机器人却可以到达。目前机器人最热门的研究方向之一是非常规结构机器人,通过精简自身的冗余结构以及体积,增加对应的功能结构,使机器人可以在不适宜人们工作的地方代替人们进行相应的工作。【方法】研制了一款适合攀爬的仿尺蠖机器人。针对优化尺蠖机器人在运动过程中的步态问题,提出了基于模型预测控制(MPC)的仿生吸盘式尺蠖机器人运动控制方法。根据章鱼的吸盘结构设计了仿章鱼负压式吸盘以及吸盘控制模型,利用气压传感器反馈的数据实现闭环控制;基于MPC仿生吸盘控制器提出了基于模型预测仿生吸盘控制的仿尺蠖机器人运动步态。【结果】机器人仿真实验和测试结果表明,基于MPC仿生吸盘控制器(MPC-BSC)在吸盘气压优化上相较PID控制有明显优势,MPC-BSC仿尺蠖机器人可以在水平和竖直的瓷砖平面完成“Ω”型运动步态。本文的主要研究结果如下:设计了仿章鱼负压式吸盘,并提出了吸盘控制模型。在负压控制下,可以调整吸盘的吸附压力以满足躯干结构运动对吸附力的需求。提出了基于MPC的仿生吸盘控制算法,该算法通过调节真空泵流速进而实现对吸盘吸附力的调节。设计了仿生吸盘式尺蠖机器人,其躯干结构安装了4个纵向伺服电机和2个横向伺服电机,可以实现“Ω”型运动步态和转向步态。提出了MPC-BSC的运动步态规划,实现“Ω”型运动步态和转向步态。实验测试了仿生吸盘的性能,验证边缘结构对仿生吸盘吸附力的作用。【结论】通过仿真实验测试了基于MPC的仿生吸盘控制算法的可行性,实验验证了仿尺蠖机器人可以在不同倾角、不同材质的平面上实现“Ω”型步态和转向步态。本文研制的仿生吸盘结构为机器人的吸附功能拓展了应用场景,降低了吸附功能的复杂性;提出的“Ω”型运动步态对异形机器人的运动具有很好的参考价值,使其能够在复杂地形下进行简单高效的运动。 展开更多

关键词 仿生吸盘 仿生尺蠖 机器人 运动规划 机械设计 电机控制 嵌入式系统 姿态控制

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植入式光纤光栅融合神经网络的仿生吸盘触觉感知方法

2

作者 张钰涵 张华富 +2 位作者 李忻宇 孙广开 祝连庆 《半导体光电》 北大核心 2025年第5期899-906,共8页

生物组织的无损吸附固定是机器人手术、康复医疗等领域的共性需求,但传统吸盘容易过度吸附从而造成组织损伤。针对这一问题,文章提出一种植入式光纤光栅融合神经网络的仿生清道夫鱼吸盘触觉感知方法。通过模仿清道夫鱼高度进化的吸盘,... 生物组织的无损吸附固定是机器人手术、康复医疗等领域的共性需求,但传统吸盘容易过度吸附从而造成组织损伤。针对这一问题,文章提出一种植入式光纤光栅融合神经网络的仿生清道夫鱼吸盘触觉感知方法。通过模仿清道夫鱼高度进化的吸盘,制备变刚度仿生吸盘结构;设计基于光纤光栅的触觉感受器,将其植入到仿生吸盘柔软的唇盘结构;采用RBF神经网络,处理触觉感受器信号,实现对接触位置与接触力大小的预测。研究结果表明,利用光纤光栅和神经网络对仿生吸盘接触位置的预测准确率最优可达96.15%,对接触力大小预测的平均绝对百分比误差最小仅为3.76%。该方法能够准确预测仿生吸盘与组织的接触状态,为避免造成组织压迫损伤提供触觉反馈,在生物医学等领域具有应用价值。 展开更多

关键词 仿生吸盘 组织损伤 光纤光栅传感器 神经网络 触觉感知

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仿章鱼吸盘式轮胎花纹设计与有限元分析 被引量：12

3

作者 周利坤 王洪伟 《西安理工大学学报》 CAS 北大核心 2013年第2期228-232,共5页

针对传统防滑链的固有缺陷,由章鱼吸盘受启发,运用仿生学原理和真空吸附原理,结合冰面防滑实际,初步构建了基于矩形布局规律的以圆锥型吸盘为仿生单元体的仿生随机轮胎布局模型,并运用Pro/E软件设计出仿生轮胎三维实体模型。最后,利用AN... 针对传统防滑链的固有缺陷,由章鱼吸盘受启发,运用仿生学原理和真空吸附原理,结合冰面防滑实际,初步构建了基于矩形布局规律的以圆锥型吸盘为仿生单元体的仿生随机轮胎布局模型,并运用Pro/E软件设计出仿生轮胎三维实体模型。最后,利用ANSYS软件对仿生轮胎实体模型进行有限元分析与仿真,从微观角度对吸盘式花纹进行了力学分析及有效吸附性能验证。仿真结果表明,吸盘式花纹的结构设计比较合理,抗拉、压等性能明显得到提高,且可以与冰面发生有效吸附,能确保轮胎的吸附防滑性能。 展开更多

关键词 仿生学 章鱼吸盘 轮胎花纹 设计 有限元分析

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基于ADAMS的仿章鱼吸盘式轮胎防滑性能仿真分析 被引量：3

4

作者 周利坤 王洪伟 《橡胶工业》 CAS 北大核心 2014年第7期426-429,共4页

以章鱼吸盘作为仿生对象,进行吸盘式防滑轮胎花纹设计。根据仿章鱼吸盘式轮胎的实体模型及具体参数,采用ADAMS/View模块对轮胎的驱动防滑性能和制动防滑性能进行仿真分析。结果表明,仿生设计可以增大轮胎冰面上的附着力,提供较大的安全... 以章鱼吸盘作为仿生对象,进行吸盘式防滑轮胎花纹设计。根据仿章鱼吸盘式轮胎的实体模型及具体参数,采用ADAMS/View模块对轮胎的驱动防滑性能和制动防滑性能进行仿真分析。结果表明,仿生设计可以增大轮胎冰面上的附着力,提供较大的安全驱动转矩,同时能缩短轮胎冰面上的制动距离,具有一定的防滑效果,为今后仿生轮胎的研究和优化设计提供了正确方法和参考数据。 展开更多

关键词 仿生学 章鱼吸盘 轮胎 花纹 防滑性能

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仿生凹坑型吸盘设计与试验 被引量：1

5

作者 丛茜 徐金 +2 位作者 史孝杰 金敬福 陈廷坤 《吉林大学学报（工学版）》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第4期1144-1152,共9页

为了提高吸盘的吸附性能,基于水蛭吸盘表面存在的凹坑形态,运用仿生学原理,在常规吸盘表面设计凹坑形态,使吸盘工作表面存在多个小型吸盘,提高吸盘的吸附性能。运用部分正交多项式回归分析,探究凹坑形态的直径、单排凹坑数量及排间距对... 为了提高吸盘的吸附性能,基于水蛭吸盘表面存在的凹坑形态,运用仿生学原理,在常规吸盘表面设计凹坑形态,使吸盘工作表面存在多个小型吸盘,提高吸盘的吸附性能。运用部分正交多项式回归分析,探究凹坑形态的直径、单排凹坑数量及排间距对吸盘吸附力的影响。试验表明,不同凹坑的形态参数对吸盘吸附力具有不同的影响效果,当凹坑直径为1.5 mm、单排凹坑的数量为40个及排间距为4 mm时,仿生吸盘在基底表面的吸附力为49.54 N,相对于标准吸盘在基底表面的吸附力提高49.21%。建立设计因素与评价指标间的数学回归模型,确定对吸盘吸附力影响的显著性主次顺序为排间距、凹坑直径、单排凹坑数量。仿真分析表明,工作表面存在的凹坑形态改变了吸附时吸盘表面接触压力及摩擦应力的分布,并且仿生吸盘工作表面的摩擦应力和接触压力均大于标准吸盘,增大了仿生吸盘在基底表面的吸附力。 展开更多

关键词 仿生 凹坑 吸盘 吸附力 吸附机理 试验设计

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基于鱼吸附原理的仿生吸盘设计与性能分析 被引量：2

6

作者 陈龙 云忠 蒋毅 《北京化工大学学报（自然科学版）》 CAS CSCD 北大核心 2018年第6期100-105,共6页

针对现有仿生吸盘主要应用于干燥环境的现状,对鱼吸盘吸附机理进行探究,运用仿生学原理和负压吸附原理,设计出一种椭圆状外形的仿生吸盘,并分别从吸附能力、摩擦抗阻能力和抗倾覆力矩能力三方面阐述各影响因素对吸盘吸附性能的影响。... 针对现有仿生吸盘主要应用于干燥环境的现状,对鱼吸盘吸附机理进行探究,运用仿生学原理和负压吸附原理,设计出一种椭圆状外形的仿生吸盘,并分别从吸附能力、摩擦抗阻能力和抗倾覆力矩能力三方面阐述各影响因素对吸盘吸附性能的影响。最后建立有限元仿真模型,利用ANSYS软件对仿生吸盘实体模型进行有限元分析,分析结果表明对鱼吸盘的吸附性能起主要影响作用的是吸盘密封边的密封效果,而该密封效果与材料特性和接触面所受压应力直接相关。 展开更多

关键词 鱼吸盘 仿生学 负压吸附 有限元分析

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基于仿生鲍鱼吸盘的设计力学教学实验设计

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作者 李静 秦浩 +1 位作者 宋真真 刘钧 《实验技术与管理》 CAS 北大核心 2022年第12期184-188,共5页

以自然界的鲍鱼为例,通过分析鲍鱼从黏附基底脱附的过程,对鲍鱼黏附机理进行了系统分析,提出仿生鲍鱼的吸盘结构设计和制备方法,进而进行了吸盘吸附力实验测试和力学建模分析。研究结果表明,所设计的隔膜型仿生吸盘无论是干燥还是在水... 以自然界的鲍鱼为例,通过分析鲍鱼从黏附基底脱附的过程,对鲍鱼黏附机理进行了系统分析,提出仿生鲍鱼的吸盘结构设计和制备方法,进而进行了吸盘吸附力实验测试和力学建模分析。研究结果表明,所设计的隔膜型仿生吸盘无论是干燥还是在水下均具有良好的吸附能力,吸盘主体微结构在一定程度上可提升吸盘吸附力。教学过程中,仿生设计—制备加工—平台搭建—数据处理—力学分析这一完整创新性环节的引入,有助于复合型跨学科顶尖人才的培养。 展开更多

关键词 鲍鱼 仿生吸盘 黏附 设计力学

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基于章鱼吸附机理的爬壁机器人吸附技术 被引量：4

8

作者 王蕊 朱灯林 张恒瑞 《机械设计与制造工程》 2016年第6期80-82,共3页

章鱼吸盘具有较强吸附力和较低的能量消耗,其吸附机理对爬壁机器人吸附技术具有重要的借鉴作用。主要论述章鱼的吸盘结构和吸附机理,为研究学者提供了章鱼吸附的基础理论,促进中国爬壁机器人吸附技术的研究与发展。

关键词 爬壁机器人 章鱼吸附机理 仿生吸盘

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仿章鱼吸盘式轮胎弹塑性黏着接触性能研究 被引量：4

9

作者 刘永刚 周利坤 《机械设计与制造》 北大核心 2013年第12期238-241,共4页

具有过渡黏着参数的仿章鱼吸盘式轮胎弹塑性黏着接触模型的建立是基于Schwarz模型和M-B分形模型,单粗糙峰从弹性到塑性变形的过渡接触面积由塑性变形条件决定。由此,可以算出粗糙表面真实接触面积和外加载荷之间的关系。分析结果显示,... 具有过渡黏着参数的仿章鱼吸盘式轮胎弹塑性黏着接触模型的建立是基于Schwarz模型和M-B分形模型,单粗糙峰从弹性到塑性变形的过渡接触面积由塑性变形条件决定。由此,可以算出粗糙表面真实接触面积和外加载荷之间的关系。分析结果显示,分形维度大于1.5或小于1.5对接触面积和载荷的关系的影响相似。为了产生相同的接触面积,较小的外加载荷则需要较大的分形维度。无量纲载荷和弹性、塑性黏着参数相同时,化学能与黏着能之比越大,则接触面积越大。化学能与黏着能之比相同时,弹性黏着参数和塑性黏着参数都在无量纲载荷较大时对接触面积和载荷的关系影响更大。但是,无量纲载荷和化学能与黏着能之比相同时,弹性黏着参数越大,则接触面积越大;塑性黏着参数越大,则接触面积越小。 展开更多

关键词 仿生轮胎 黏着接触 章鱼吸盘 过渡黏着参数

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一种高表面适应性仿生吸盘的设计

10

作者 丁建宁 殷子健 +2 位作者 胡宏伟 程广贵 张忠强 《吉林大学学报(工学版)》 2025年第11期3774-3782,共9页

针对现有吸盘在粗糙表面以及小结构物体难附着、易脱落问题,仿生水蛭吸盘的凹坑结构,设计一种多褶皱且底部带有小孔阵列的新型吸盘RSS,通过建模和模拟仿真研究吸盘附着机理,实验探究了不同褶皱数量和阵列孔尺寸对吸盘在粗糙表面的垂直... 针对现有吸盘在粗糙表面以及小结构物体难附着、易脱落问题,仿生水蛭吸盘的凹坑结构,设计一种多褶皱且底部带有小孔阵列的新型吸盘RSS,通过建模和模拟仿真研究吸盘附着机理,实验探究了不同褶皱数量和阵列孔尺寸对吸盘在粗糙表面的垂直吸附性能以及水平抗剪切力性能的影响规律。结果表明:在-40 kPa真空度下,多褶皱结构可显著提升RSS吸盘的垂直吸附性能,最大提升约为87.9%,孔径大小对垂直吸附性能影响不大。在接触150目和800目砂纸时,孔径0.5 mm和1 mm对双褶皱和三褶皱吸盘水平抗剪切力影响较小,当孔径增加到1.5 mm时,水平抗剪切力值出现最大40.5%的增幅。当砂纸目数达到1600目时,水平抗剪切力值随着孔径的增大而增大。对于单褶皱吸盘,小孔孔径对水平抗剪切性能无明显影响。 展开更多

关键词 仿生吸盘 多褶皱 小孔阵列 建模和模拟仿真

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真空吸盘的仿生设计与吸附性能分析 被引量：1

11

作者 熙鹏 丛茜 +2 位作者 叶绍波 李红波 张燕青 《吉林大学学报(工学版)》 北大核心 2025年第1期382-391,共10页

本文从仿生学角度出发,对基于鲍鱼腹足优良吸附性的仿生吸盘吸附性能进行研究。通过提取腹足表面形态设计仿生吸盘,并对吸盘吸附性进行模拟分析,选取模拟结果良好的仿生吸盘进行拉伸实验,根据实验结果探究吸附机理。结果表明,密封环宽... 本文从仿生学角度出发,对基于鲍鱼腹足优良吸附性的仿生吸盘吸附性能进行研究。通过提取腹足表面形态设计仿生吸盘,并对吸盘吸附性进行模拟分析,选取模拟结果良好的仿生吸盘进行拉伸实验,根据实验结果探究吸附机理。结果表明,密封环宽度对仿生吸盘Mises应力具有较大影响,而沟槽距吸盘中心距离与沟槽分布数量的影响很小。密封环宽度为1.5mm的仿生吸盘所受Mises应力要大于宽度为3 mm的仿生吸盘。在40%真空度下,密封环宽度为1.5 mm,沟槽距吸盘中心距离为20 mm,沟槽分布数量为12的仿生吸盘具有最大吸附力,其最大吸附力比标准吸盘提高了5.32%。本研究表明仿生吸盘可以有效提高吸盘的吸附性能。仿生吸盘密封环结构可以有效阻止吸盘边缘向内收缩,同时沟槽结构可以延缓吸盘内腔与外界连通的可能,从而达到提高吸盘吸附性能的目的。 展开更多

关键词 工程仿生学 吸盘 鲍鱼 密封环 条纹沟槽 吸附性

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仿章鱼吸盘式防滑轮胎仿生学生物信息分析与设计 被引量：1

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作者 周利坤 王洪伟 《机械工程与设计（中英文版）》 2013年第2期14-19,共6页

仿生学应用于汽车设计领域已成为改善汽车性能的重要设计手段，近年来，关于仿生轮胎方面的研究成为热点课题。以章鱼吸盘作为仿生研究对象，从形态参数、腕部特征和吸盘特征等方面详细进行了章鱼生物结构分析，并归纳分析了章鱼吸盘的... 仿生学应用于汽车设计领域已成为改善汽车性能的重要设计手段，近年来，关于仿生轮胎方面的研究成为热点课题。以章鱼吸盘作为仿生研究对象，从形态参数、腕部特征和吸盘特征等方面详细进行了章鱼生物结构分析，并归纳分析了章鱼吸盘的吸附机理。综合上述分析，提取了章鱼吸盘仿生学生物信息，并对仿章鱼吸盘式防滑轮胎进行了初步设计，具有较好的理论参考价值。 展开更多

关键词 仿生学 章鱼吸盘 轮胎设计 生物信息

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新型仿生防滑轮胎花纹布局优化研究 被引量：1

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作者 王洪伟 周利坤 《武警工程学院学报》 2011年第6期7-11,共5页

传统轮胎防滑是通过提高轮胎表面的磨擦阻力来达到防滑目的。采用章鱼吸盘原理，从轮胎花纹防滑特点和仿生学基本原理入手，是进行轮胎花纹设计的一个新的尝试。在综合考虑传统轮胎花纹设计与仿章鱼吸盘式轮胎布局优化基本要求的基础上... 传统轮胎防滑是通过提高轮胎表面的磨擦阻力来达到防滑目的。采用章鱼吸盘原理，从轮胎花纹防滑特点和仿生学基本原理入手，是进行轮胎花纹设计的一个新的尝试。在综合考虑传统轮胎花纹设计与仿章鱼吸盘式轮胎布局优化基本要求的基础上，初步设计了五种方案，并归纳出设计公式，进而建立以距离为横坐标、有效面积为纵坐标的研究方法。最后，通过借助MATLAB仿真五种方案吸盘有效面积变化规律，表明仿章鱼吸盘的布局设计较为科学合理。 展开更多

关键词 仿生防滑 章鱼吸盘 轮胎花纹 布局优化

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