基于三元模型的仿生鱼尾机器人动力学建模与摆动控制OA
Dynamics Modeling and Oscillation Control of a Biomimetic Fish-tail Robot Based on a Three-element Model
随着水下机器人技术的发展,基于气动驱动的仿生鱼尾机器人因其高灵活性和低噪声特性受到广泛关注.然而,气动驱动器固有的非线性迟滞效应与柔顺特性为鱼尾的精确动力学建模与摆动控制带来挑战.为此,针对气动仿生鱼尾机器人建立包含弹簧、质量与阻尼的三元动力学模型,并通过实验数据实现参数辨识,有效描述该机器人的复杂非线性动力学行为.进而提出一种前馈-反馈复合控制方法,基于所建立的模型生成前馈输入以提升响应速度,结合 PID 反馈抑制建模误差与外部扰动,同时基于 Lyapunov 理论证明系统的渐近稳定性.实验结果表明,在定频正弦、变幅变频及随机轨迹等多种工况下,该方法相较传统 PID 控制,具有更高的跟踪精度与动态适应能力,同时,反馈补偿与参数辨识也被证明对提升跟踪性能具有关键作用.水下实验进一步验证了所提方法对辨识误差、未建模动态及外部扰动的适应能力.
With the development of underwater robotics,pneumatic-driven biomimetic fish-tail robots have attrac-ted widespread attention due to their high flexibility and low noise characteristics.However,the inherent nonlinear hysteresis and compliant properties of pneumatic actuators pose significant challenges for accurate dynamic model-ing and precise oscillation control of the fish-tail.To address these problems,a three-element dynamic model incor-porating spring,mass,and damping is established for the pneumatic biomimetic fish-tail robot,and model paramet-ers are identified using experimental data,effectively characterizing the complex nonlinear dynamic behavior of the robot.Furthermore,a feedforward-feedback composite control method is proposed,in which the feedforward input is generated based on the established model to enhance the system's response speed,while PID feedback is used to suppress modeling errors and external disturbances.The asymptotic stability of the closed-loop system is rigorously proven by using the Lyapunov theory.Experimental results demonstrate that,under various operating conditions including constant-frequency sine waves,variable-amplitude-variable-frequency signals,and random trajectories,the proposed method demonstrates higher tracking accuracy and dynamic adaptability compared to conventional PID control.Meanwhile,feedback compensation and parameter identification are also critical for improving tracking per-formance.Underwater experiments further validate the adaptability of the proposed method to parameter identifica-tion errors,unmodeled dynamics,and external disturbances.
孟庆鑫;熊阔;闫泽;王亚午;吴俊东;苏春翌
中国地质大学 (武汉) 人工智能与自动化学院 武汉 430074 中国||复杂系统先进控制与智能自动化湖北省重点实验室 武汉 430074 中国||地球探测智能化技术教育部工程研究中心 武汉 430074 中国中国地质大学 (武汉) 人工智能与自动化学院 武汉 430074 中国||复杂系统先进控制与智能自动化湖北省重点实验室 武汉 430074 中国||地球探测智能化技术教育部工程研究中心 武汉 430074 中国中国地质大学 (武汉) 人工智能与自动化学院 武汉 430074 中国||复杂系统先进控制与智能自动化湖北省重点实验室 武汉 430074 中国||地球探测智能化技术教育部工程研究中心 武汉 430074 中国中国地质大学 (武汉) 人工智能与自动化学院 武汉 430074 中国||复杂系统先进控制与智能自动化湖北省重点实验室 武汉 430074 中国||地球探测智能化技术教育部工程研究中心 武汉 430074 中国中国地质大学 (武汉) 人工智能与自动化学院 武汉 430074 中国||复杂系统先进控制与智能自动化湖北省重点实验室 武汉 430074 中国||地球探测智能化技术教育部工程研究中心 武汉 430074 中国湖北工业大学机械工程学院 武汉 430068 中国||康考迪亚大学 Gina Cody 工程与计算机科学学院 蒙特利尔 QC H3G 1M8 加拿大
仿生机器人气动驱动器迟滞效应摆动控制三元模型
biomimetic robotspneumatic actuatorshysteresis effectsoscillation controlthree-element model
《自动化学报》 2026 (5)
1018-1031,14
国家自然科学基金(62203408),湖北省青年科技人才培养项目(2025DJA064),高等学校学科创新引智计划(B17040),中国地质大学(武汉)"地大学者"人才岗位科研启动经费(2022088,2025013),中国地质大学(武汉)中央高校基本科研业务费(CUG250655)资助 Supported by National Natural Science Foundation of China(62203408),Hubei Province Youth Science and Technology Tal-ent Training Program(2025DJA064),111 Project(B17040),"CUG Scholar"Scientific Research Funds at China University of Geosciences(Wuhan)(2022088,2025013),and Fundamental Re-searcher Funds for the Central Universities,China University of Geosciences(Wuhan)(CUG250655)
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