高空爬行机器人的机构设计

设计了一台沿桅杆或绳索爬行的机器人,介绍了该机器人的组成及其功能,对该机器人进行运动学建模及分析,并对该机器人进行仿真设计.该机器人可携带检测装置对桅杆或绳索进行巡检作业.     

绳索牵引康复机器人控制及仿真研究

康复机器人是典型的人机合作系统．人与机器人在同一物理空间,因此对机器人的柔顺性、安全性提出了严格要求．绳索驱动具有柔顺性好、占空间小、重量轻等特点,不会与人体产生刚性碰撞、冲击,非常适合于康复机器人的驱动控制．由于绳索的柔性使其只能承受拉力,其牵引构成冗余驱动系统,因此绳索位置伺服系统须引入力控制,保证工作时绳索具有一定的张力．针对康复训练机器人的人体骨盆控制问题,设计了基于绳索驱动的伺服控制系统,通过Matlab提供的sisotool进行PI和PD控制器的设计,并对张紧力、位置和二者之间的相互影响进行了仿真分析,证明了绳索驱动适合对骨盆规律的控制,并且可以在其他绳索牵引控制技术上得到应用和推广．     

1R2T绳索牵引骨盆康复机器人动力学

运用影响系数方法对1R2T绳索牵引骨盆康复机器人的运动学进行了分析,得出骨盆运动与绳索运动的映射关系,通过Matlab对骨盆步态中期望轨迹进行仿真,得到各根绳索加速度变化曲线;基于机器人力螺旋平衡方程,并利用牛顿欧拉法和达朗伯原理建立了机器人动力学模型.运用仿真方法对机器人逆动力学特性进行分析,得出绳索最小拉力阈值的设置对各根绳索拉力变化规律具有影响的结论.运用Matlab和Adams建立了机器人动力学模型,分别对是否考虑绳索刚度两种不同情况进行了联合仿真,结果证明所建模型的正确性,同时得出绳索最小拉力阈值和绳索刚度对系统运动性能的影响规律.     

绳驱动并联清洗机器人绳索张力优化

将绳驱动并联机器人应用至外墙清洗领域,并对清洗机器人的动力学建模及张力优化进行深入研究。首先,确定机器人的构型为完全约束绳驱动并联机器人,并建立了考虑绳索弹性的动力学模型;其次,针对该类型绳驱动并联机器人绳张力解不唯一问题,提出将相关力改进的最小方差作为优化目标对绳索张力进行优化。最后,通过Simulink-Adams进行联合仿真验证。结果表明,优化后的绳索张力光滑连续变化。系统开环的情况下,圆形轨迹最大误差均值为0.071 m,终点误差均值为5.15 mm;直线轨迹最大误差均值为9.25 mm,终点误差均值为3.5 mm。解决了完全约束绳驱动并联机器人绳索张力不唯一、不连续问题,并为控制策略研究提供理论依据。     

绳驱动并联吊装机器人绳索张力优化

将绳驱动并联机器人应用于吊装领域,对运动学正解模型和绳索张力优化算法进行深入研究。首先,确定该吊装机器人为冗余约束绳驱动并联机器人,建立机器人的运动学和动力学模型。其次,针对冗余约束绳驱动并联机器人的绳索张力不唯一、不连续问题,分别运用张紧力方法、非线性规划方法和改进二次规划方法对绳索张力进行优化,确定出最佳的张力优化算法。在此基础上,进一步求得此类型绳驱动并联机器人的工作空间。最后,通过MATLAB进行仿真验证。仿真结果表明,相比于另外两种方法,采用改进二次规划方法求解的绳索张力优化解在张力上限和张力下限之间光滑连续变化,说明改进二次规划方法求解绳索张力的合理性和连续性。     

6自由度绳索牵引并联机器人的悬链线建模与动力学分析

针对6自由度大跨度绳索牵引并联机器人存在绳索悬链线效应的问题,分别建立了绳索的直线模型和绳索的悬链线模型,在此基础上推导了并联机器人的动力学模型,并对二者进行分析和比较.在绳索牵引并联机器人逆动力学的求解过程中,采用带约束的非线性优化方法作为求解工具来计算满足绳索单向力约束的绳索张力.仿真结果表明,考虑绳索的悬链线模型时,并联机器人逆动力学解得到的绳索末端张力与绳索的线性模型相比有很大的变化,故绳索悬链线效应不可忽略,动力学分析中必须加入绳索的悬链线模型.     

紧耦合多机器人联合吊运系统位置可行域的分析与求解

多机器人联合吊运系统可行域定义为吊运重物在空间可到达位置点的集合。以3台工业机器人为例,运用机器人运动学的知识解出机器人末端坐标。采用数学方法得出吊运重物的坐标。对物体进行力平衡、力矩平衡分析,解出绳索受力。对绳索力进行力平衡、力均衡判断。符合绳索受力要求的点就是可行域中的点。运用蒙特卡罗思想在MTALAB中仿真出可行域。可行域的求解是进行多机器人联合吊运系统研究的基础和前提。     

仿生柔性并联机器人的逆运动学与优化设计

提出一种绳索驱动的柔性仿人头颈并联机器人,其基座和动平台由3根绳索和1个压缩弹簧连接.采用压缩弹簧模拟人的颈椎作为并联机器人的支撑脊柱,以绳索模拟人颈部肌肉对机器人进行驱动控制.将作用在动平台上的外力等效为动平台中心的矢量力和力矩,基于力和力矩平衡条件,结合压缩弹簧侧向弯曲方程,解得机器人的逆运动学模型.为了使绳索驱动力最小,以绳子拉力的最小平均值和最小-最大值为优化目标,基于非线性最优化拟牛顿算法对绳索在基座及动平台上端点位置进行了优化设计.仿真结果验证了并联机构逆运动学模型和优化方法的正确性和可行性.     

大跨度吊装机器人绳索张力及工作空间求解

针对大跨度吊装机器人的绳索存在悬链线效应的问题开展研究。首先,绳索为直线模型,建立机器人的运动学和动力学模型。其次,绳索存在重力,大跨度绳索为悬链线模型,为了求解悬链线模型中的绳索张力,采用二次规划方法求解绳索张力优化解。在静力学方程基础上,求得吊装机器人的力可达工作空间和力封闭工作空间。最后,通过MATLAB进行仿真验证,仿真结果表明,力可达工作空间小于力封闭工作空间。比较两种模型的绳长,第1根绳索的长度变化最大,绳索张力较小时,绳索自重不容忽略。     

球形机器人水下系泊状态水流干扰运动分析

为了使球形机器人能在复杂水域安全工作和利用能量,对其锚定状态下受水流干扰的运动规律进行分析.首先针对机器人的形体结构特点,应用线性波理论和Morision方程对流体载荷进行描述,并以机器人锚定系统方程为基础,引入波浪水动力、重摆扰动力和绳索弹性力项,建立了球形水下机器人锚定状态波流联合激励的动力学模型.然后在搭建的虚拟仿真验证系统中对机器人的位移、绳索拉力和重摆摆角进行仿真和验证,总结出绳索锚定角和拉力随流速增加呈非线性变化规律及机器人在波浪幅值影响下的波动特性,结合绳索张紧和松弛状态交替现象分析绳索拉力和重摆摆角异常波动原因.研究结果为球形机器人对流体波浪能的吸收和转化提供理论基础.     

绳驱动并联机器人绳索拉力及工作空间求解方法研究

绳驱动并联机器人的驱动冗余性导致绳索拉力的求解复杂性、工作空间成为系统的重要指标。文中建立了机器人系统静力学和动力学的统一模型,对绳索拉力求解优化算法以及工作空间求解方法进行研究,通过MATLAB仿真求得了4根绳驱动康复机器人系统驱动绳索拉力和工作空间,验证了绳驱动并联机器人绳索拉力优化求解方法和工作空间计算方法的正确性。     

基于自抗扰理论的桅杆式起重机定位与消摆控制

桅杆式起重机在吊运的过程中负载产生的摆动问题会影响工作效率,严重时会造成一定的安全事故。为此,设计一种自抗扰控制器在保证负载快速精准定位的前提下,抑制负载摆角。首先,对桅杆式起重机进行动力学分析,建立系统的空间三维动力学方程;然后,针对桅杆式起重机的非线性和欠驱动特性设计自抗扰消摆控制器,实现旋转和俯仰运动机构的精准定位和有效消摆,从而为实际应用吊运过程中节省了大量的时间。最后,通过分别设置不同的绳长值以及与其它控制方法仿真结果对比分析可知,该控制器对桅杆式起重机负载的摆角值有着很好的抑制效果,并具有较强的鲁棒性。     

中国天眼馈源支撑缆索检测机器人设计

中国天眼,即五百米口径球面射电望远镜,简称FAST,是中国的重大科技基础设施。而馈源支撑系统是FAST中对馈源舱进行高精度位姿调节的重要部件。为保障FAST的正常运行,必须定期开展馈源支撑系统的安全检测。为此,需要设计能够自主进行馈源支撑缆索缺陷检测的机器人系统。本文针对机器人在FAST馈源支撑缆索上的工作环境,设计机器人总体方案。根据缆索上障碍多的特点,将检测机器人设计为底部开口、多轮抱索、多节串联形式;根据缆索长、陡的特点,确定两端卷扬机牵引驱动为主、轮驱为辅的驱动形式。依据总体设计方案,分别开展机器人各部分的详细结构设计,保障机器人能够可靠地沿缆索运动与避障;设计主动调整、弹性适应的连接机构实现各节机器人之间连接与相对位置调整。最后,进行机器人整机样机运行实验。实验结果表明,机器人能够稳定地在缆索上运动及避障,验证了所设计的机器人系统沿FAST缆索检测所需的运动能力。     

Development of two rescue robots for disaster relief operations in narrow debris

This paper proposes two novel rescue robots,including a cutter robot and a jack robot,which are aimed to contribute to rescue activities such as to cut through obstacles and to jack up debris in dangerous sites and narrow spaces,where a rescue team can not work or approach.Firstly,a multilinked tracked rescue robot platform composed of connected crawler vehicles is developed,which has high mobility on irregular terrain and ability to move into narrow collapsed structures.Then,the cutter robot and jack robot are designed on the basis of rescue robot platform equipped with a cutter or a jack mechanism and corresponding manipulators in the front segment.The cutter refitted by an angle grinder is able to cut through 10 mm diameter steel bars.The electric jack mechanism designed based on multiple layers screw sleeves structure can lift up 300 kg load from 70 mm to 400 mm.Experimental results validate the capability of the two rescue robots.     

试井绞车排绳运动分析与控制

本文在对绞车滚筒排丝绳运动分析的基础上，分析了现有排绳方案在滚筒外层和边沿排不齐的原因，提出了对排绳器进行位置跟随控制的排绳方案，并据此设计了一种自动排绳系统。实践证明，该系统自动跟踪、自动补偿，钢丝绳排列整齐，性能稳定，安全可靠，为绞车的安全作业提供了良好的保证。     

新型双折线绳槽结构设计与实验研究

为了适应超深矿井钢丝绳的多层缠绕和平稳过渡的需求，提出了一种新的层间过渡原理.设计了5层缠绕钢丝绳的绳槽，分析了绳槽主要结构参数选择范围和方法.根据钢丝绳平稳过渡条件，提出折线区圆心角的二次螺线计算方法.研究结果表明:绳槽间隙取0.03d~0.4d，绳槽深度取0.3d~0.5d， 上层钢丝绳的圈数比下层钢丝绳的圈数多2圈;新型双折线绳槽能够实现钢丝绳的多层缠绕和整齐排绳，根据二次螺线方法得到的折线区圆心角能够使钢丝绳在缠绕过程中无滑动现象.     

小型爬壁机器人系统设计与应用

针对一种小型的双足爬壁机器人,设计开发了基于DSP2812处理芯片的控制系统.该机器人系统采用双足真空吸盘式结构和用3个电机驱动5个关节的欠驱动结构.双足真空吸盘式结构使其可以在光滑的墙面和天棚行走,又能够在交接面之间完成跨步行走.而欠驱动结构减少了电机的数目,从而减小了机器人的尺寸和降低了机器人的质量和能量消耗,但它也给机器人的控制和运动规划带来了新的挑战.已完成的系统设计包括运动模式设计、关节控制、通信模块设计和吸盘足控制等.实验结果证明了所提出方案的可行性.     

轮履复合式农业机器人越避障控制研究

轮履复合式农业机器人具有行走灵活,通过能力强的特点,本文将模糊逻辑理论应用于轮履复合式农业机器人的越避障控制,设计了模糊控制器,建立了模糊控制规则,MATLAB仿真实验证明,该控制器可有效控制机器人攀越和避过障碍物.     

小型智能家居机器人的设计与实现

为实现低配机器人完成较高智能的服务, 设计并实现了一款小型智能家居机器人。 该机器人能高效、 自 主地建立环境地图, 规划出最优路径到达目标点, 从目标点取物后沿原路返回。 机器人通过红外低配传感器感 知未知环境, 并建立栅格地图; 通过宽度优先搜索规划出两点间的最优路径。 采用北京博创的“创意之星冶模 块化机器人平台设计并搭建了一款具有抓取功能的轮式机器人, 将提出的算法在机器人上进行了实现。 实验 表明, 提出的算法可在低配机器人上实现并完成指定的功能, 该机器人适用于家居环境, 能辅助老年人完成一 定的取物操作, 对机器人的发展起到了积极的推动作用。