基于目标导向的扫地机器人设计研究

针对目前扫地机器人设计中存在的针对性不强、市场种类繁杂和产品生命周期短等问题,将目标导向设计方法引入到扫地机器人设计中。基于对用户目标的分析和研究,提出扫地机器人爬楼这一功能目标,开展越障扫地机器人的设计。通过扫地机器人爬楼主动轮的结构设计、动力学建模以及产品整体形态设计等一系列设计行为来实现用户目标。在此基础上强调用户与产品之间的交互过程,满足用户对产品的情感需求,为智能家电设计提供参考。     

螺旋驱动式管内机器人越障性能优化设计

受当前管道连接工艺限制,各类管道连接处易形成环形凸台或环形凹槽障碍,因此管内机器人需具备一定的越障能力.相比地面机器人越障,管道内部封闭且受限的空间环境使机器人越障机理更为复杂.针对一类螺旋驱动式管内机器人,为了定量分析其越障运动并获得约束下最优越障性能,分别构建机器人在环形凸台和环形凹槽障碍环境的准静态越障模型,包含螺旋轮越障和从动轮越障两种状态.以机器人牵引能力、驱动电机转矩等为约束条件,构建机器人综合越障性能数学模型,基于指数惯性权重改进粒子群算法优化求解最优越障性能下的决策参数向量.将所提综合越障性能优化方法应用于螺旋轮角差动式管内机器人的设计中.试验结果表明:该机器人能够顺利通过PVC管道内2mm环形凹槽障碍和不锈钢管道内2mm环形凸台障碍,验证了所提方法的有效性.     

可越障爬壁机器人研究与设计

为了解决爬壁机器人越障性问题,本文根据爬壁机器人的吸附类型介绍了国内外足腿式、蠕动式以及飞吸式机器人越障能力的研究现状,以及本团队研制的3款越障式爬壁机器人的性能特点,对比了各类机器人越障性能的优劣性.在此基础上探讨了爬壁机器人设计时的重点问题,对未来设计越障爬壁机器人起到了一定的引导作用.     

关节履带式管道检测机器人越障性能优化

针对一种特殊管道内部检测,设计了一种小体积紧凑型的关节履带式机器人.根据本机器人结构设计,建立了描述机器人姿态的各参数与越障性能之间的数学关系式.探讨了该机器人在越障过程中的姿态调整对越障能力的影响.在此基础上采用最优化方法求解了该机器人的最大越障高度,并确定了适合的姿态调整方法.Matlab仿真及实验验证了该设计和优化计算对于提高机器人越障性能的有效性.     

任务型履带单兵机器人系统设计与越障性能分析

军事用途机器人的应用很大程度上降低了士兵及工作人员作业的危险性,针对当前单兵机器人普遍具有的结构复杂、携带不便等问题,设计并研制了一种便于携带的任务型单兵机器人,其轻质、灵活的特点可快速响应侦察、排爆、采样等任务的需要。为分析机器人的越障机理并提高越障性能,通过建立质心运动学模型,对机械臂俯仰角、机器人俯仰角与凸台越障最大高度进行理论分析,并通过仿真实验得到了机械臂不同姿态下机器人越障的质心位置变化曲线以及对应的驱动转矩曲线,以此确定了最佳越障姿态,最终通过实物实验验证了结构设计的合理性及理论分析的正确性。为后续单兵机器人的发展和移动机器人越障性能的改善提供参考。     

双臂巡检机器人越障能力分析

研究了手臂固定式、手臂移动式和带柔索式三种类型双臂巡检机器人的越障能力,通过理论分析建立了三种类型双臂巡检机器人相应的越障能力数学模型,在设定基本相同的质量参数和结构参数前提下,计算得到了三种类型巡检机器人在不同线路坡度下的最大越障距离.计算结果表明:带柔索双臂巡检机器人的手臂结构运动更为灵活,机器人越障能力更大,且越障距离可根据障碍物大小自由调节,因此带柔索双臂巡检机器人的结构设计具有明显优势,更易实现机器人轻量化设计.     

考虑负载时变的线路巡检机器人动态性能分析

巡检机器人进行越障时，受负载时变影响，会出现控制超调、振动等现象.在考虑负载惯量时变特性的情况下，研究了一种用于分析巡检机器人越障状态下动态性能的方法.对双臂线路巡检机器人的回转机构建立了基于双惯量模型的动力学方程，使用改进D-H法与拉格朗日法对机器人建模，具体包括分配坐标系，求解拉格朗日方程，利用惯性矩阵计算负载转动惯量等.通过选择合适的阻尼系数设计了控制器参数，利用阻尼系数与固有角频率的变化分析了机器人的动态性能变化.研究成果有助于对双臂巡检机器人越障时的动态性能进行分析，并可用于机器人的伺服控制参数调试.     

多功能地面移动机器人设计与分析

针对越野越障和搭载多种作业装备的需求,设计了一种配备共用搭载平台的多功能地面移动机器人。制定了机器人的主要性能指标,对机器人底盘和搭载平台结构进行了设计,并给出了控制系统的构成;基于所设计的机器人搭载平台,讨论了多功能地面移动机器人的几种典型搭载模式,并采用经典力学方法对此机器人进行了底盘行驶力学和搭载平台运动力学分析。仿真结果表明,机器人能爬上30°的斜坡,搭载2套40mm口径火箭炮,实现所要求的越野越障和搭载多种作业装备的功能。     

基于质量调心的巡检机器人越障机理分析

针对输电线架空地线上的障碍物,具体分析了机器人跨越架空地线上障碍物的过程,依据越障过程的分析,提出一种新的基于质心调节的机器人越障构型.该构型自由度少,控制简单,能够减少越障过程时间,具有广泛的应用前景.     

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.