非连续约束变结构杆机构机器人:运动与控制的若干仿生基础问题

在非连续约束变结构机器人运动机构的仿生概念及模型研究基础上, 系统分析这类机器人的机构学、冗余驱动下的运动协调、非连续接触引发的动力学、机器人脚及地面反力、爬壁杆机构机器人黏附性脚掌的设计及相关微制造和相关步态规划与控制策略的研究现状和存在的主要问题, 提出未来发展的建议.     

仿蜥蜴机器人单腿运动水动力特性仿真及实验

仿蜥蜴机器人是模拟蛇怪蜥蜴运动方式实现水面行走的机器人,其脚掌的运动特性决定了机器人能否实现水面行走.本文通过构建机器人单腿驱动机构及脚掌模型,运用ADAMS软件分析了机器人单腿驱动机构在不同速度时脚掌处入水特性;利用计算流体动力学分析软件FLUENT中动网格技术,仿真分析脚掌拍水、扑水和恢复运动过程,分析机器人单腿驱动速度与空气腔形成的关系,结果表明转速不低于270 r/min时,脚掌能够形成空气腔;最后在实验室环境下进行机器人水面行走实验,实验结果与理论分析结果相符.     

狭小空间匍匐式四足机器人的稳定行走控制及运动策略

现代装备日益庞大、复杂,各分系统和模块间形成大量结构形状复杂的狭小空间,检测此类狭小空间内的设备状态对保障系统安全、降低运营成本具有重要意义.受壁虎能够在狭小空间顺利攀爬运动的启发,我们发明了仿壁虎匍匐运动机构和黏附脚掌,这种机器人在狭小空间,特别是宽度受限空间的运动稳定性为机器人运动规划的核心问题.本文研究宽度受限情况下匍匐式四足机器人的运动稳定性,作为对比,同时研究非受限情况下匍匐四足机器人的稳定运动设计.本文提出了一种保障运动稳定的重心轨迹规划方法,结合纵向稳定裕度和静态稳定区域方法,使用双支撑三角形减少支撑区域的约束条件,保留前向边界和后向边界的稳定裕度计算以简化步骤,提高了稳定裕度计算和重心轨迹规划的效率;提出在宽度受限情况下匍匐式四足机器人的运动策略,四肢向内收拢适应宽度受限约束,分析受限宽度下机器人的稳定裕度和最大步长.实验验证了该机器人在受限空间前向和横向运动的稳定性及运动控制方法.     

虎纹捕鸟蛛水平面运动行为

动物运动行为的研究对运动学的分析以及仿生机器人的研制有着重要意义. 运用动物运动行为观测系统获取了虎纹捕鸟蛛(Ornithoctonus huwena)水平面直线运动的运动学信息,如步足的运动状态、质心的运动和步足各关节转动角度的变化等信息. 结果表明: 虎纹捕鸟蛛以一侧的步足1 和3 与对侧的步足2 和4 为一组运动相, 两组运动相在运动中相互交替运动相位. 运动速度的提高主要依靠于步频的提高来实现, 并且运动稳定性优于昆虫. 质心的速度和高度周期波动, 步足相位交替时质心的高度和速度均较高, 稳定运动状态下质心的高度和速度均较低. 步足4 偏向角的变化最小, 有利于对身体的驱动; 由于步足1 的探寻功能使得运动中其各关节转动角度的变化不定. 上述结果对仿生机器人的设计和步态规划有所启示.     

并联机构的等价关系和偏序关系在机构综合与自由度分析中的应用

并联机构的运动类型(或运动模式)指的是机构末端执行器可实现的刚体运动的集合, 它是所有支链运动类型的交集. 作为非瞬时自由度并联机构一个主要运动学特性, 运动类型在局部具有刚体变换群(或特殊欧氏群)的子流形(或特别地具有Lie子群)结构. 基于这个子流形性质和子流形簇的概念, 我们定义了运动类型以及并联机构的等价关系和偏序关系: 如果两个运动类型在SE(3)单位元的某一开邻域内一致, 那么我们称这两个运动类型等价; 如果其中一个运动类型在SE(3)单位元的某一开邻域内为另外一个的子流形, 那么我们称这两个运动类型之间具有序关系, 并由此定义了并联机构的一种偏序关系, 研究了运动类型和并联机构的等价与偏序关系, 并给出了其在并联机构综合、自由度分析和非过约束构型等方面的应用.     

大壁虎在天花板表面的运动行为与动力学研究

壁虎天花板表面运动作用力的测定对揭示壁虎运动的力学规律、获得仿生机器人控制设计的灵感均具有重要意义．用三维力传感器阵列测定大壁虎天花板表面运动的三维作用力, 结合高速摄像讨论壁虎在天花板表面运动中壁虎脚掌的作用力和预压力, 并比较分析了前后腿的作用. 结果表明壁虎在天花板表面运动的速度为0.17~0.48 m/s, 前后腿向身体中线方向收拢. 脚掌在与天花板表面初始接触时间内产生冗余的预压力, 以确保运动的安全, 前腿的法向预压力大于后腿. 前后腿的侧向作用力大小相当. 前腿运动方向的作用力始终和运动方向相同, 起主要推动作用; 后腿运动方向的作用力始终和运动方向相反. 前后腿的法向作用力分别占体重的73.4%和60.6%. 运动中, 运动方向的作用力明显大于侧向和法向的作用力, 前腿主要起到推动作用, 后腿则主要起稳定作用. 上述结果表明壁虎在天花板表面运动中腿功能的变化, 使得壁虎能够在极端条件下自由运动, 并启发机器人结构设计、步态规划和控制规律的选择.     

磁约束等离子体中的射频波电流驱动和流驱动

射频波可以进入聚变等离子体,通过无碰撞机制将能量和动量沉积于其中,在加热等离子体的同时,还可以驱动等离子体电流和等离子体流.等离子体电流的非感应维持是托卡马克类型聚变装置稳态运行的关键,而电流剖面的控制及等离子体流的存在对于抑制磁流体不稳定性、建立和维持高性能的约束模式至关重要,因此射频波电流驱动和流驱动在磁约束聚变等离子体物理研究中有重要意义.本文从等离子体中波与粒子相互作用的基本物理出发,对磁约束等离子体中射频波电流驱动和流驱动的研究现状、面临的挑战、以及可能的研究趋势进行了简要评述.几个关键问题被特别指出,包括:共振吸收机制与高密度下射频波电流驱动效率衰减的内在联系;非共振驱动机制的可行性探讨;从动量获取和动量弛豫的平衡关系出发探索共振机制下提高驱动效率的可能性;流驱动中射频波的直接驱动和间接驱动效应,尤其是射频波有质动力效应;射频波耦合和传播过程中复杂的非线性过程对电流驱动和流驱动的影响等.     

仿壁虎机器人脚掌的黏附性能研究及模拟微重力下黏脱附轨迹设计

失重环境下固体间的稳定接触是空间站舱内外航天员作业、在轨维修、空间碎片捕获等任务面临的共性问题,基于范德华力机制的刚毛黏附材料为解决上述问题提供了可能.本文介绍使用仿生高分子黏附结构研制仿壁虎机器人脚掌所面临的问题.用仿壁虎腿机构构成的黏附性能试验台,研究了黏附脚掌的刚度、尺寸和黏附轨迹与黏附力、实际接触面积间的关系,确定了脚掌黏附过程的稳定边界.用重力补偿法模拟整体失重环境,设计了脚掌黏脱附轨迹并实现了仿壁虎机器人在整体失重情况下的稳定黏附运动,为在轨微重力环境下仿壁虎机器人的黏附运动提供了基础数据.     

运动仿生的前沿:从感知到运动

正运动仿生是动物行为学和机器人学交叉的新领域,是仿生科学与工程的重要分支,其内涵包括揭示动物运动的机构结构、感知控制和行为规律,指导仿生机器人的设计.运动是动物的基本行为属性,也是仿生智能机器人等人造系统的重要特征之一.运动是动物对外部环境和内部状态变化的一种行为反应,该行为涉及到动物的环境感知、信息整合、运动指令产生、肌群驱动、关节运动、肢体与外界的相     

压电双层膜驱动管内移动微小型机器人的研究

提出了一种新型管内移动微小型机器人, 采用压电双层膜驱动器和惯性冲击式原理(IDM), 实现在直径为Φ16~18 mm的直管内的稳定运动. 对惯性冲击原理进行了理论分析和动态仿真, 通过实验, 验证了微小型机器人的运动原理和运动能力. 实验结果表明, 在峰值为50 V和频率为1100 Hz的锯齿波电压驱动下, 该微小型机器人的直线运动速率可以达到3.5 mm/s. 理论分析与实验结果验证了惯性冲击原理在本设计中的可行性和有效性, 并为管内移动微小型机器人的优化设计提供了理论依据.     

微机械中的机构学研究方向

机构学是以运动几何学和力学为主要理论基础,以数学分析为主要手段,对各类机构进行运动和动力分析与综合的学科.传统的机构学已由简单机构的运动分析与综合向复杂机构的运动分析与综合发展,由机构运动分析与综合向机构动力分析与综合发展.近代的机构学,研究机构系统的合理组成方法及判据,对机构精度进行动态分析,研究运动副间隙、摩擦、润滑与冲击所引起的机构运动变化、稳态与非稳态下的动态响应和过渡过程问题;研究考虑构件弹性变形的运动弹性动力学问题;研究视整个机构系统为柔体的多柔体系统动力学和逆动力学分析、综合及     

JWF1276型精梳机的研制与应用

文章介绍了JWF1276型精梳机计算机辅助工艺设计与优化技术目标,并从钳板机构运动、分离罗拉运动、牵伸机构与牵伸工艺配置,钳板组件与锡林组件的质量优化与平衡设计等方面分析了计算机辅助工艺设计与优化技术的内容,通过优化使车速和产量逐步提高、对短纤维的适纺性更好、纺纱质量进一步提高.     

软体机器人的仿生物理智能

生物可以在各种非结构化自然环境中生存,其身体中所蕴含的物理智能至关重要,涉及材料、结构和形态等要素.通过融合仿生物理智能,有望降低软体机器人的控制成本,提高机器人系统的响应速度和极端环境下的鲁棒性,以及使微型机器人更加智能化.本文阐述了自然界生物的材料、结构、形态学物理智能特征及其原理,介绍了软体机器人实现仿生物理智能的目的及相关的关键技术与方法,列举了软体机器人仿生物理智能的典型应用,最后展望了软体机器人仿生物理智能的未来发展及挑战.软体机器人仿生物理智能有望在高速动态作业、极端环境探索及微型机器人智能化等方面发挥独特的优势,相关研究将进一步促进生物、机器人、材料、化学和计算机学科之间的交叉.     

肠道内可变直径胶囊机器人的动态特性

提出一种以外旋转磁场驱动的具有径向间隙自补偿功能的可变径胶囊机器人, 研制了外旋转磁场驱动装置和可变径胶囊机器人样机, 建立了胶囊机器人在柔弹性环境内的径向动平衡方程和机器人运动方程, 对胶囊机器人在柔弹性壁和刚性壁流体环境内的动态特性进行了比较分析, 理论与试验研究表明变径胶囊机器人在柔弹性管和刚性管内具有几乎相同的动态驱动特性. 在径向间隙自补偿功能作用下, 显著提高了胶囊机器人外表面螺旋肋处的流体动压力、推力和胶囊机器人的管径适应性, 通过旋转磁场转速的调整, 实现了机器人推力与速度的控制. 该新型胶囊机器人具有适合柔弹性管壁内驱动的特点, 在人体肠道复杂环境内的介入医疗领域具有良好的应用前景.     

JWF1276型精梳机的研制与应用

文章介绍了JWF1276型精梳机计算机辅助工艺设计与优化技术目标,并从钳板机构运动、分离罗拉运动、牵伸机构与牵伸工艺配置,钳板组件与锡林组件的质量优化与平衡设计等方面分析了计算机辅助工艺设计与优化技术的内容,通过优化使车速和产量逐步提高、对短纤维的适纺性更好、纺纱质量进一步提高。     

JWF1276型精梳机的研制与应用

文章介绍了JWF1276型精梳机计算机辅助工艺设计与优化技术目标,并从钳板机构运动、分离罗拉运动、牵伸机构与牵伸工艺配置,钳板组件与锡林组件的质量优化与平衡设计等方面分析了计算机辅助工艺设计与优化技术的内容,通过优化使车速和产量逐步提高、对短纤维的适纺性更好、纺纱质量进一步提高。     

变压强研磨数学力学原理与去除效率分析

提出了大型光学镜面变压强的高效研磨方法.传统研磨中普遍采用常压研磨的方式,很大程度上阻碍了去除率与收敛率的进一步提高.大量实验表明去除效率与压强之间并非线性关系,本文从研磨盘、磨粒与工件的几何学关系推导变压强条件下有效磨粒的分布规律,进而建立压强、磨粒运动形式与材料去除方式的映射关系,研究变压强条件下材料去除机理以及磨粒运行轨迹的微分几何描述,进而推导变压强条件下的非线性去除函数;通过音圈电机驱动的变压强研磨工具,利用机器人研磨平台实现了大型光学镜面的变压强高效研磨.     

动物机器人:研究基础、关键技术及发展预测

动物机器人利用动物固有的感知、运动、能量供应和神经系统,通过神经信息干预,实现对生物运动行为的控制.这类特殊的机器人在运动稳定性、灵活性、环境适应性和自身运动能量供应等方面保持了天然的优势,具有重要的应用价值;同时,该研究涉及动物运动神经网络及外部调控信息与固有运动神经信息的交互作用机制等重大理论问题,是神经科学和机器人交互领域的重要研究方向.该研究高度融合了动物智能和机器智能,涉及动物行为学、神经科学、微机电技术、力学和通信技术等,是多学科交叉融合的前沿领域.本文回顾动物运动神经系统与运动行为调控之间的关系,系统梳理不同动物机器人的运动调控方法及系统构成,总结活动在水、陆、空不同空间中典型动物运动行为调控的研究进展,归纳分析动物机器人研究在运动调控方法、微电极植入、微刺激系统、通信导航和能量供应等研究中面临的关键问题,并预测未来的发展趋势.     

平面机构运动性能系统可靠性分析

将可靠性理论与机构运动精确度理论相结合, 提出了平面机构运动性能系统可靠性分析方法. 从平面机构的几何约束方程出发, 推导机构运动性能误差表达式. 引入可靠性及系统可靠性理论, 建立机构运动功能失效的极限状态方程. 采用Edgworth级数和4阶矩技术, 求解平面机构运动性能系统可靠度, 放松了对基本随机设计变量分布概型的限制. 数值算例表明所述方法精度较高, 满足工程实际需要, 通用性强, 易于推广.     

仿壁虎微纳米刚毛阵列的研究进展

壁虎的超级黏附力源于分布于脚趾的数十万细长刚毛和接触面间的范德华力. 仿壁虎刚毛的研制是实现机器人三维无障碍运动的关键技术之一. 近年来, 许多国内外学者致力于研制仿壁虎脚掌刚毛结构的倾斜、末端分支、膨大的微纳米黏附阵列, 以得到高黏附性能、可自由调控吸附脱附的仿壁虎脚掌, 对已有文献进行总结、比较, 并展望其进一步的发展方向.