仿生柔性多骨节系统空间不动点控制方法

During poultry movement, the neck can keep the head motionless for a period of time. The natural control technology to make a point fixed in the space can solve the problem of high-precision vibration isolation，such as high-definition shooting of satellite cameras. The project is going to study a control method to make a point fixed in the space through bionic method. The research of the control method is based on a bionic flexible multi-modular system and the core problem of the study is the motion control of attitude coordination of the system. The project will start from the mechanical mechanism of the attitude coordination of the poultry neck. Then the motion control model of the bionic flexible multi-modular system will be established. Next, a feedforward-feedback adaptive nonlinear control algorithm will be designed to realize the spatial point-fixed control of the top module of the flexible multi-modular system through coordinating the attitude of the system to compensate the uncertain disturbance of the base. At last, experiments will be designed to verify the control effect of the spatial point-fixed control method. The spatial point-fixed control method can be adaptable to regular or random, continuous or discontinuous wide-band disturbances, which will provide new theoretical support and technical approaches for solving the technical bottleneck of high-efficiency vibration isolation of precision instruments.

禽类在运动过程中，其颈部可保持头部在一定时间内空间不动。自然界的这种空间不动点控制技术可以解决高精度隔振难题，例如星载相机高清拍摄。本项目研究仿生柔性多骨节系统的空间不动点控制方法，其核心是系统姿态协调的运动控制。项目首先研究禽颈姿态协调的力学机理；采用网络动力学方法建立仿生多骨节系统的运动控制模型；开发集前馈-反馈为一体的自适应非线性控制算法，协调多骨节系统整体姿态来补偿其基座的不确定扰动，实现系统顶端空间不动点控制；最后通过实验，验证空间不动点控制方法的有效性。空间不动点控制方法可自适应于宽频带的规则或随机、连续或非连续扰动，为解决精密仪器高效隔振的技术瓶颈提供新的理论支持和技术途径。

禽类颈部是由骨骼肌肉组成的复杂系统，在运动过程中，具有良好的隔振稳定作用。项目探究禽颈隔振稳定机理，仿生设计隔振结构与控制策略，以达到空间不动点的高精度隔振。项目主要内容包括：（1）禽类颈部骨骼肌肉结构研究。通过查阅文献及解剖方法探究禽类颈部脊骨连接方式、肌肉分布方式、具体物理参数等。（2）仿生柔性多骨节系统的建模与分析。仿生禽颈建立柔性多骨节系统的物理模型及静力学模型，分析系统刚度特性及参数对系统刚度特性影响。研究发现多骨节系统整体刚度呈非线性特性，向上位移对应刚度要远大于向下位移刚度，且弹簧刚度、初始姿态等参数均对系统刚度有影响。将网络科学建模方法的节点与连接引入系统势能方程，并采用拉格朗日方程建立多骨节系统动力学模型。经数值分析发现，无主动控制输入的多骨节系统对禽类行走或奔跑的低频位移激励无隔振效果；且在高频激励下，系统时间响应出现多谐波成分，使得隔振效率变差。（3）仿生柔性多骨节系统空间不动点控制方法研究。基于仿生原理对未知基座激励进行估计，将优化方法与主动控制算法相结合，仿生优化控制器输出总能量最小，通过控制系统姿态达到末端模块空间不动。项目基于李雅普诺夫稳定性定理，提供了另一种直接控制末端模块运动的控制策略。计算分析发现，该直接控制策略效果优于无控制系统，但劣于姿态控制策略。项目将网络科学方法与拉格朗日方程相结合的动力学建模方式，对于复杂构型系统，不用重复建模，可用于诸多复杂网络化工程模型的建模。通过对仿生柔性多骨节系统动力学特性分析及主动控制，探究禽类颈部隔振稳定内在机理。采用仿生机制对系统进行激励评估与控制能量分配，设计通过姿态调控达到空间不动点的控制策略，为主动隔振控制方法设计提供新思路，同时为解决精密仪器高效隔振的技术瓶颈提供新的理论支持和技术途径。