轮腿式机器人多运动模式运动学分析与建模

轮腿式移动机器人具有轮式、履带式和腿式等多种运动模式,对不同运动模式下的运动特性进行了分析,建立了轮式运动模式下的运动学方程,对履带运动模式下的转向运动学进行了运动学建模;通过对机器人在腿式模式的姿态描述,建立其运动学模型。为对轮腿式机器人进行综合运动分析,实现机器人控制提供了理论基础。     

自主式水下机器人运动稳定性控制方法

针对自主式水下机器人稳定性控制问题进行了研究.首先对水下机器人的总体结构及其在水中的运动特性进行了分析,建立水下机器人系统的动力学模型;然后建立了直线、方向和位置的运动稳定性分析方法,确定了纵向稳定性和侧向稳定性准则,提出了基于特征值的稳定性要求;最后设计了无源自适应控制器,针对水下机器人在水中悬停和运动时易受海流影响的问题,建立了自适应补偿方法,进而确定了输入的不确定性补偿方法.对自主式水下机器人进行多方向的运动稳定性控制试验,通过试验修正稳定性控制参数,验证了设计的水下机器人运动稳定控制器的有效性和可靠性.     

可分体轮腿四足机器人的运动模态分析与轨迹切换

【目的】煤矿井下地形复杂多变且空气中含有多种易燃易爆气体，具有极高的危险性。为了降低巡检风险，提高巡检效率，提出了一款具有多种运动模态的可分体轮腿四足机器人。【方法】分析了该机器人的腿模态、轮模态、轮腿混合模态、躯体分离组合模态、双臂夹持模态等5种主要运动模态。阐述了单腿结构参数并基于蒙特卡洛法绘制了机器人的腿部工作空间；利用加速度倒推法消除了足端纵向的加速度突变，优化了机器人腿模态下的足端轨迹；基于5次多项式的轨迹特点规划了机器人多个运动模态相互切换的轮腿切换轨迹；基于Webots与MATLAB的联合仿真环境，验证了机器人腿模态下使用Trot步态的稳定性及轮-腿模态切换轨迹的柔顺性。【结论】研究内容可为可分体轮腿四足机器人在矿井环境中进行巡检作业提供理论基础。     

新型轮腿式机器人研究

设计与研制了一种新型小尺寸、轻体重、多用途的轮腿式机器人,集中了腿式机器人地形适应性强和轮式机器人机动速度高的优点,可在复杂地形条件下以多种行进步态和运动方式完成特殊的机动任务.开发了上位机人机交互系统和基于ARM的嵌入式运动控制系统,实现了多轴伺服运动控制技术,在控制、反馈各环节之间以及机器人视觉系统中采用了无线数据通信方式,实现了机器人的远程遥控.并辅助以超声波探测器阵列,用多传感器信息融合技术配以实时避障算法和数字图像处理技术实现了机器人的自主运动及探测.仿真分析和原理样机实测表明,该机器人具有良好的越野行驶能力和稳定可靠的探测性能,为进一步研究小型多用途机器人理论和实践奠定了基础.     

小摆角两轮机器人动力学建模及控制器设计

针对现有两轮机器人转弯速度较低问题,提出一种可轴向摆动的新型两轮机器人设计方法. 该方法使用连杆控制机构摆动来调整机构的重心分布,实现机器人在小转弯半径条件下稳定运动的目的. 基于拉格朗日方程方法,对机器人的小摆角自由度进行了动力学建模与分析,得到了系统动力学模型,并在此基础上设计了一种状态反馈控制器. 运用Matlab/Simulink进行控制器系统仿真,验证了控制器在机器人稳定控制方面的有效性. 结果表明,该两轮机器人机构设计思路及运动控制手段可有效提高系统运动稳定性.      

一种新型翻转跳跃运动机器人的运动结构与轨迹规划

提出一种全新的单腿机器人运动模式——翻转跳跃运动模式，对其运动结构和轨迹规划进行了分析．与一般单腿机器人的弹簧结构完全不同，翻转跳跃运动机器人的运动结构仅由3个旋转关节构成；1个完整的翻转跳跃运动周期则由2个行走阶段和2个飞行阶段组成．在飞行阶段，由于机器人绕其质心的角动量守恒，各关节则不加控制．因此，可利用这种全新运动模式机器人特有的运动学和动力学特性，将其运动轨迹规划问题转化为2个非线性二阶约束条件下的最优化问题．给出了一个消耗能量最小的运动轨迹规划问题的仿真结果．     

液压四足机器人新型腿结构设计与性能分析

为实现机器人的高负载、不平地面的高适应性运动要求,设计了一种新型的液压四足机器人腿结构。提出了腿模块机构,是带有平行四边形结构的四连杆腿模块机构,与传统的曲柄滑块四连杆机构进行了运动分析比较。基于MATLAB的SimMechanics软件模块,进行了仿真分析。结果表明带有平行四边形结构的四连杆腿模块机构具有较好的传动性能,该种腿结构的液压缸运动更为平稳,可确保机器人整体性能的优越性,为液压驱动的足式机器人腿结构设计提供新的设计途径。     

一种仿人机器人斜坡运动步态规划方法

以SCUT-Ⅰ仿人机器人步态运动为对象,提出了由斜坡运动步长、步行周期等参数控制的斜坡运动模式,并基于倒立摆模型对斜坡运动过程中仿人机器人的髋关节和摆动腿踝关节的轨迹进行规划,从而得到斜坡运动的轨迹;最后,根据SCUT-Ⅰ仿人机器人模型参数,在Matlab 6.5中建立机器人的模型,对机器人斜坡运动进行仿真实验,验证了该规划方法的有效性及稳定性.     

四足变结构机器人的运动学分析

对一种新型的四足变结构机器人进行了运动学分析.首先建模分析了单条腿的运动速度;然后综合考虑机器人车身本体的运动和变形以及四条腿的运动状态,对机器人整体进行了运动学分析,提出并建立了机器人的全局速度方程;最后将全局速度方程应用到机器人的速度分解控制中,使该控制方法的应用领域从串联机器人扩展到多足移动(串并混联)机器人,并以变结构四足机器人的车身原地收缩运动为例,验证了这种方法的可行性.     

腿型跳跃机器人跳跃过程运动学及仿真分析

根据跳跃生物的生理结构及运动特性,设计了腿型跳跃机器人,并建立了简化的机构模型.分析了机器人跳跃过程冗余自由度,建立了机器人的质心运动方程;依据关节空间与质心空间速度的变换关系,对机器人进行运动学分析,并用MATLABR2009b进行数值仿真,得到了机器人关节角度随时间的变化规律,为腿型跳跃机器人控制系统的研究提供了控制参数依据.     

基于分数阶的电动轮足式机器人腿部阻抗控制研究

为了减少机器人足端落地冲击力,提高机器人对复杂地形的适应能力,将基于位置的阻抗控制应用于电动轮足式机器人足式运动过程的柔顺性控制,提出具有分数阶结构形式的阻抗控制器以改善系统的接触性能.由于位置闭环的带宽会影响目标阻抗的实现,引入逆位置环补偿环节以提高系统的阻抗跟踪性能.仿真与实验结果表明,分数阶阻抗控制不仅能够实现足端与地面的稳定接触,而且相比于常规的二阶质量-阻尼-弹簧阻抗控制,能实现更好的接触过渡性能.      

基于姿态的多关节履带机器人越障控制

为提高机器人在楼梯、台阶等典型障碍环境中的自主越障的实用性,以检测机器人自身姿态而非环境尺寸作为越障控制的基本依据,设计了多关节履带机器人的各种自主越障控制方法.即首先以AHRS(姿态航向参考系统)所测得机器人姿态作为重要反馈量,采用稳定锥方法实时判定机器人越障过程中的倾翻稳定性,通过实验验证了该方法的有效性;在此基础上以机器人姿态为反馈,并结合机器人关节位置和驱动电流,设计了典型障碍下的自主越障控制动作规划,实际环境测试表明此越障控制方法具有对障碍具体尺寸依赖性小,实用性强的特点.     

基于Petri网模型控制的步行机器人的自由步态

为解决步行机器人在复杂环境下的运动问题 ,根据步行运动的特点 ,提出了单腿运动的 Petri网控制模型 ,又以5足步行机为例 ,建立了与其腿数相对应的多腿协调控制模型 ,并制定了相应的控制策略。在此基础上 ,重新提出了有关步行机器人自由步态的有关概念及其运动规划算法 ,定义了保持静稳定行走状态的运动条件和判断方法。最后对 5足步行机在平面不连续落足区内的跨沟运动进行了仿真。仿真结果表明 ,提出的运动控制模型和自由步态能够自动适应运动环境 ,实现离散地形下的步行运动     

电站载物爬楼机器人的动态稳定性建模与控制

针对电站载物爬楼机器人动态稳定性的控制问题,根据爬楼特点归纳出机器人可能出现的运动模式,并利用几何与运动学等关系构建被控对象的数学模型。根据电站载物爬楼机器人上下两部分的重心距离与期望距离间的误差、误差变化率及电动推杆伸缩速度之间的关系,设计动态稳定性控制系统的控制器,即一型模糊逻辑控制器(1 type of fuzzy logic,T1FLC)。针对模糊规则参数难以确定的问题,通过量子粒子群优化(quantum particle swarm optimization,QPSO)算法优化隶属度函数参数,将QPSO优化的T1FLC与粒子群优化(particles swarm optimization, PSO)算法优化的T1FLC、未优化的T1FLC、比例-积分-微分(proportion-integral-derivative, PID)控制方法进行对比,并进一步考虑外部干扰的影响。仿真和实验结果验证了模型的准确性及控制优化方法的有效性。     

基于DSP的大功率多轴控制系统

针对一般特种机器人的功能特性和作业特点,建立了基于TMS320F2812和高电流PN半桥驱动芯片BTS7960的大功率多轴控制系统,并对控制系统的驱动电路、电流采样电路、位置检测模块、CAN总线通信电路等进行了分模块设计.设计过程中充分利用TMS320F2812的片上资源,提高了机器人控制系统的稳定性和可靠性,减少了控制系统的体积和功耗.在机器人控制系统软件设计方面,利用C语言完成了主程序及相关中断子程序的编写.通过相应的电机控制实验,对DSP(digital signal processor)大功率多轴控制器进行了功能测试.测试结果表明,该系统性能可靠、集成度高,能够很好地满足一般特种机器人的控制要求.     

多自由度机器人机械手腕关节柔顺控制方法研究

针对传统机械手腕关节控制方法稳定性低和灵活性差的弊端,提出一种新的多自由度机器人机械手腕关节柔顺控制方法。介绍了多自由度机器人关节系统,按动力学系统组建机械手腕关节的动力学模型,采用拉格朗日方法获取动力学方程。介绍了PD手腕关节位置控制方法,在此基础上通过改进纯积分力控制方法实现多自由度机器人机械手腕关节柔顺控制。分析了机械手腕关节混合位置/力矩控制过程,通过差动机构控制两个驱动器,使其完成机械手腕关节外展/内收和伸展/翘曲两个自由度,提高机械手腕控制灵活性。实验结果表明,所提方法控制精度和稳定性高,能够保证机械手腕关节的灵活性。     

基于非线性状态反馈的机器人操作手的鲁棒控制

文章考查了一类具有非匹配不确定性的非线性系统的全局稳定性及其在机器人鲁棒控制中的应用．针对机器人存在参数不确定性以及外界干扰的情况，利用非线性鲁棒控制理论给出了鲁棒控制器，考虑不确定性存在情况下跟踪误差的全局渐进收敛性．最后给出了两连杆刚性机器人的仿真例子，验证了其控制效果。     

Adaptive trajectory tracking control of two-wheeled self-balance robot

Wheeled mobile robot is one of the well-known nonholonomic systems.A two-wheeled self-balancerobot is taken as the research objective.This paper carried out a detailed force analysis of the robot andestablished a non-linear dynamics model.An adaptive tracking controller for the kinematic model of anonholonomic mobile robot with unknown parameters is also proposed.Using control Lyapunov function(CLF),the controller's global asymptotic stability has been proven.The adaptive trajectory trackingcontroller d...     

基于综合导向的车式移动机器人轨迹跟踪控制

分析了具有不确定性和非完整约束的车式移动机器人系统的轨迹跟踪问题.基于运动学模型分析,提出一种自适应的轨迹跟踪控制方法.通过引入状态微分反馈实现系统的镇定.同时引入人工场,使其和位姿误差一起作用于控制系统,从而改善了对车式移动机器人的导航控制.运用Lyapunov稳定性理论证明了控制器的稳定性.直线和圆周两种轨迹跟踪的仿真实验表明,该控制方法能够使四轮车式移动机器人在导航中具有理想的跟踪轨迹.