| 主权项 |
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；对于所述前翻滚运动的控制进一步包括以下步骤：步骤1.1，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，所述俯仰控制算法为：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；关节段J1J2运动到水平状态，保持伸直，俯仰关节J1停止转动；然后，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；关节段J2J3运动到水平状态，保持伸直，俯仰关节J2停止转动；最后关节J3代替J2作为主动关节转动，直至水平状态；步骤1.2，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，机器海豚的所有俯仰关节轻微地向背面弯曲，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，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，借助步骤1.4中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CM 在下、浮心CB在上的正常状态，此时，机器海豚伸展其尾部，使用所述俯仰控制算法继续下俯运动，进一步减小俯仰角；步骤1.6，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，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；对于所述后翻滚运动的控制进一步包括以下步骤：步骤2.1，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，所述俯仰控制算法为：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；关节段J1J2运动到水平状态，保持伸直，俯仰关节J1停止转动；然后，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；关节段J2J3运动到水平状态，保持伸直，俯仰关节J2停止转动；最后关节J3代替J2作为主动关节转动，直至水平状态；步骤2.2，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，此时，机器海豚的俯仰关节J2作为所述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，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，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，俯仰角到达360°之后，立即伸展各个俯仰关节，使俯仰角保持在360°；步骤2.7，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；所述前翻滚运动中，机器海豚尾鳍的旋转角βfront与时间t的关系为：βfront=1726.4t3‑1724.7t2+255,t∈[0,0.666]。 |
