链式可重构模块机器人非同构构形仿真研究

可重构模块机器人系统具有多种构形来适应环境和任务的要求,其非同构构形的数量随着模块数量的增加呈指数增长。提出了一种新型链式可重构模块结构,机器人的模块数量可以根据需要选择。利用偏置关节和连接臂,该结构具有手动可重构和自动变形的特点。根据模块的物理结构和邻接关系,提出用构形矩阵来表达机器人的拓扑信息,并在仿真环境下进行描述;提出基于组合计数原理的递归算法,用于多模块变形机器人的非同构构形的计数,并根据构形矩阵对对机器人的对称构形进行判断。最后仿真设计了4模块和5模块可重构机器人的对称构形,验证了算法的可行性。     

蛇形机器人步态转换CPG控制器

蛇具有细长无肢的身体、独特的半球型关节，使其可在神经系统控制下完成与环境相适应的多种节律运动．基于对该节律运动机制的分析，给出蛇运动神经系统的主要功能特性．首次应用双向循环抑制CPG模拟蛇节律运动发生机制，控制蛇形机器人组合关节，实现3种典型运动．通过单向激励串联该类CPG构成神经网络，给出该神经网络产生振荡输出的必要条件．用不同高级控制神经元命令激活下的输出，实现蛇形机器人典型运动模式的自动转换．通过动力学仿真和实验验证该CPG控制器产生不同节律运动模式的有效性．为蛇节律运动模式发生机制建模提供新方法．     

具有环境适应能力的蛇形机器人仿生控制方法

基于生物学原理,本文构建了一种能够产生蛇形机器人多种仿生步态的多模态中枢模式发生器模型.该模型通过外部激励的引入,可以实现蛇形机器人运动形式的自由调整和转换,有助于提高蛇形机器人的环境适应能力.文中主要针对任意节数的多模态中枢模式发生器模型的稳定性进行了证明;分析了多模态中枢模式发生器模型参数对系统输出的影响;研究了蜿蜒运动中环境参数与蛇形机器人关节最优幅值的对应关系,从而确定了多模态中枢模式发生器幅值优化调整策略;并通过建立外部激励与模型参数之间的约束,使得蛇形机器人在多模态中枢模式发生器控制下具有三维运动能力以及相应的环境适应能力.最后,利用蛇形机器人平台验证了仿生控制方法的有效性以及与生物蛇步态的相似性.     

可重构星球探测机器人的运动学建模及轨迹规划

提出了可重构星球探测机器人的概念，对系统中子机器人的研究进行了重点论述．通过设计恰当的子机器人连杆坐标系，利用Denavit-Hartenberg方法完成了子机器人的运动学建模，并直接给出了子机器人的运动学正解模型．由于使用单一的求解算法不能求出工作空间的封闭解，因此综合利用代数法、几何法原理及空间投影关系，结合子机器人的结构特殊性推导出了运动学逆解，从而得到了工作空间内的所有解．在此基础上，考虑结构间的约束关系，给出了子机器人的工作空间及轨迹规划方法．最后，使用OpenGL对设计的子机器人系统进行了运动学仿真实验，实验以末端操作器的直线运动为例，充分考虑空间几何的关系，其结果有效地证明了建模及轨迹规划的正确性。     

一种可重构模块机器人中心构形的选择方法

可重构模块机器人具有多种构形以适应不同环境和任务的要求，构形的多变增加了构形研究的难度．在可重构模块机器人的众多构形中，中心构形作为可重构模块机器人的首选构形或基准构形，对系统的实际应用有重要参考价值．文中提出了一种在所有构形中选择一个中心构形的方法．根据构形之间可以相互转化的拓扑特征，利用网络图中的基本思想和原理对可重构模块机器人的构形进行建模；相应定义了构形转换耗值矩阵和构形中心因子，根据最大构形中心因子可以对中心构形进行选择．以中国科学院沈阳自动化研究所研制的三模块可重构机器人AMOEBA-1为例，利用仿真计算的结果对机器人9种构形的中心因子进行计算和比较，验证了该方法的可行性．最后根据构形邻接数，给出了中心构形选择方法的应用举例．此方法还可以适用于其他可重构模块机器人系统中心构形的选择．     

机器人化岩石研磨器的运动学分析

机器人化的采样工具是星球探测机器人的重要组成部分, 可用以发现其他星球上是否存在水、生命和资源. 要实现地质考察, 必须先清除星球岩石表面的尘埃和风化层; 机器人化岩石研磨器可用来代替地质学家的岩石锤, 执行地质考察的任务. 本文研制了一台三自由度的机器人化岩石研磨器的样机. 研磨系统采用行星传动, 具有双输入(旋转电机和绕转电机)和双输出(研磨轮和去屑刷). 研磨轮上有两颗研磨牙用以磨削岩石, 去屑刷用以清除研磨表面. 机器人化岩石研磨器的第三个电机用来实现研磨系统的进给. 对研磨系统的运动学进行了分析, 为了得到连续、光滑的被研磨面, 进一步对研磨轮的轨迹进行了分析和规划. 最后, 在石灰板上进行了研磨实验, 验证了机器人化岩石研磨器系统的基本功能和可行性.     

变形机器人倾翻稳定性仿真分析

凹凸不平的非结构环境中,移动机器人由于系统的倾翻将导致系统损害、作业失败等一系列问题。变形机器人可以通过构形的变化来提高系统的稳定性和抗倾翻能力。理论分析了移动机器人的倾翻问题,提出稳定锥方法和倾翻性能指数对移动机器人的静、动态稳定性进行综合判定,讨论了三模块履带机器人变形过程中的倾翻稳定性变化,同时仿真比较了机器人的五种能动构形在仰俯、偏转、倾斜等干扰组合作用下的倾翻性能。理论与仿真研究为变形机器人投入到实际应用提供了参考。     

可重构星球探测机器人的OpenGL仿真实验平台研究

采用基于Visual C 和OpenGL的建模和运动仿真方法，对可重构星球探测机器人系统的三维运动仿真实验平台进行了研究，建立了一个多机器人系统的仿真实验平台。开发的实验平台可用于探索和验证机器人系统的工作原理、工作空间、多机器人协调算法、重构方法、系统集成技术等。在该平台上进行了机器人的运动学仿真和协调运动研究，验证了该仿真平台的有效性和机器人系统体系结构的合理性。     

具有自适应能力的轮-履复合变形移动机器人的移动机构与地面约束关系分析

针对非结构环境中路面软硬相间、平坦与崎岖并存的地形特征,提出并研制出一种对非结构环境具有自适应能力的轮-履复合变形移动机器人（NEZA-I）.NEZA-I由控制系统单元、尾轮单元和两个相同的可变形轮-履复合（Transformable wheel-track,TWT）移动模块组成.每个TWT模块能够在一个驱动力的作用下以轮式和履带式两种运动模式在复杂路面上运动,也能根据地面约束力而改变运动模式（即＂轮式-履带式互换＂）和调整运动姿态（即＂改变履带几何形状＂）.本文旨在介绍NEZA-I机器人的基本结构、驱动系统原理、运动模式及姿态,分析TWT模块内部构件之间运动关系,建立NEZA-I在一些典型的运动情形下移动机构与地面之间的约束关系的数学模型,探究TWT模块内部机构参数对机器人环境自适应性能的影响,优化机构参数.实验表明：NEZA-I移动机构平台具有较强的环境自适应性和越障性能,机构参数的优化结果是合理的,所建立的相关数学模型及参数的分析方法是正确的.同时也验证了NEZA-I自适应移动机构平台概念的可行性,从机构学的角度为机器人环境自适应性的研究提供一个思路.     

基于二维位置敏感探测器的空间对接过程研究

为了准确地捕捉机器人空间对接的传感器信息,从对接机构的设计入手,研究了空间对接中传感器的选择、改制和基于传感器信息的空间对接问题.考虑到安装空间的限制和处理的信息量太多,提出了利用二维位置敏感探测器（PSD）配合红外发光器阵列的方法完成机器人的空间对接.通过对位置敏感探测器工作原理的分析和对传感器特性的试验,提出了在PSD光敏面上增加光学装置的方法以扩大它的探测范围和精度,同时大大减小了它对光信号的依赖程度.把该方法应用于可重构模块化探测机器人系统中,提出了基于传感器信息的轨迹规划方法,对子机器人空间对接过程的仿真试验验证了轨迹规划和空间对接的可行性.