面向沙土环境的仿生软体机器人及交互力学模型

现有的沙土移动机器人大多采用刚性结构, 在复杂的工作环境中 常常会发生打滑、沉陷、翻倒等问题, 缺乏良好的环境适应能力. 针对该问题设计了一种面向沙土环境的仿弹涂鱼气动软体机器人; 基于地面力学理论和软体机器人建模方法, 考虑机器人在沙土环境下的约束条件, 通过对软肢体与沙土间力学交互特性的分析, 建立了软肢体/机器人-沙土交互力学模型, 并构建了输入气压与机器人运动特性的关联; 通过实验验证了软体机器人-沙土交互力学模型的有效性和准确性. 实验结果表明, 该软体机器人具有环境适应性强、控制简单、柔顺性高等优点.     

多气囊仿生软体机器人设计及其运动特性分析

设计了一种多气囊仿生软体机器人,由位于上方的多个相互连通的气囊和位于下方的双层底座组成,通过给气囊充气以使软体机器人产生弯曲,通过在软体机器人前、后表面设置不同的摩擦片,机器人能够利用前、后摩擦力的不同而得以前行;利用ANSYS软件分析软体机器人充气、放气过程中的内应力,以改善机器人的结构设计;采用Yeoh模型研究软体机器人运动过程中的力学特性,在理想条件下推导出软体机器人的前行步幅与气囊内部气体压力的非线性关系模型,并通过仿生软体机器人的充气和前行运动实验验证仿生软体机器人前行运动的可行性.结果表明,当充气压力为90kPa时,机器人前进的步幅为19.25mm,与其理论值(22.85mm)基本一致.     

土壤沉陷特性与车轮滑转关系的离散元研究

 探究轮胎-地面系统的动力学特性,建立更接近轮胎-地面系统实际工作状况的动力学模型是车辆行驶理论的核心问题之一。本研究运用颗粒-车辆地面散体动力学模型,针对目前车辆地面力学中,尚无有效方法对因车轮滑转导致土壤沉陷的问题进行模拟和计算的现状,采取相应的试验数据,建立相同的计算环境,对弹性车轮在沙地上因滑转引起的沙土沉陷问题进行计算,与试验结果进行对比分析表明有很好的一致性。该模型能有效地用于车辆地面力学中滑转率、土壤沉陷特性及两者相互关系的研究和计算。     

面向小孔径T形管道的气动软体机器人转向策略

近年来,新型机器人技术被广泛应用于管道的维护与检查.为了克服刚性管道机器人的局限性,提高机器人的灵活性,软材料制成的机器人已被开发并用于管道探测.由于管道内部管路分支较多,软体机器人在管道内的转向控制面临较大挑战.针对此问题,设计一种小孔径管道软体机器人,并建立运动学模型,在此基础上提出了机器人在T形弯管中的柔顺转向策略.最后,通过实验验证了转向策略的有效性和准确性.实验结果表明,提出的转向策略能有效提高软体管道机器人在T形弯管中的通过性和智能性.     

具有多地形运动能力的双模块软体机器人

针对现有爬管机器人应用范围有限、运动场景单一和多地形运动机器人无法攀爬、空间运动受限等问题,提出一种新颖的具备多地形运动能力的双模块软体机器人,每个软体模块由四气室全向弯曲软体气动驱动器组成.通过建立全向弯曲软体驱动器的弯曲模型,分析了全向弯曲软体驱动器的变化规律;提出了一种新型的旋转运动模式,使该机器人能通过旋转运动模式在多种复杂环境中运动;提出基于脉冲宽度调制(PWM)的步态控制方法,使该机器人能够更加简单快速地实现多地形运动功能,并通过实验验证其可行性.实验结果表明,基于四气室全向弯曲软体驱动器的双模块软体机器人能够沿圆形管道、方形管道及不规则杆状物(人体小臂)进行垂直攀爬运动,爬行速度达到11.7 mm/s,还能在平地、人造草皮、崎岖路面、斜坡等复杂地形进行快速移动,爬行速度达到14.0 mm/s,弥补了现有爬管机器人和多地形运动机器人的不足.该模块化软体机器人能在多种地形下进行稳定快速运动,适应性强,在管道检测和复杂地形探测等方面具有潜在的应用价值.     

多腔体气动软体致动器的建模与仿真

气动软体致动器在工程领域具有广阔的应用前景,以前主要采用梁、杆等简单模型对其进行整体变形研究,与刚性材料的硬接触不同,如何对软体致动器的软接触建立准确的力学模型并对其整体构型和应力分布进行分析仍是个具有挑战性的难题.本研究针对多腔体气动软体致动器相邻两气腔之间的软接触问题,提出了一种新的建模方法.本力学模型综合考虑气腔结构的复杂性、几何非线性和材料非线性,采用多点接触的面-面接触方法,解决了不考虑接触时相邻两气腔之间的相互穿透问题,适用于大变形柔软体结构的分析.与传统的梁、杆等模型相比,本模型既提高了模拟整体变形的精度,又能够准确描述气腔结构内部的应力分布规律.对多腔体气动软体致动器的仿真结果表明,相邻两气腔之间的软接触对其大变形影响显著.最后,对软体四爪机构抓取圆柱体的整个过程进行了准静态研究,详细阐述了整体构型变化和Mises应力分布情况,结果显示接触区域应力达到最大值.本研究对软体致动器的力学特性分析和优化设计具有一定的理论指导意义.     

一种可变直径软体机器人的设计

为了解决刚性机械手安全性低、适应性差的问题,设计一款具有抓取功能的软体机器人。该软体机器人由三个呈圆周 120°分布的软体驱动器和一个夹具组成,夹具可以实现自动化改变直径以适应不同大小物体的抓取,经测算软体机器人可以抓取直径范围为 45mm~97mm 的物体。夹具和软体驱动器都采用3D打印制造,具有成本低、制造简单、易于大规模生产的优点。软体机器人采用气压驱动,当给驱动器充气时,三手指同时弯曲抓取物体,具有很好的稳定性。对于软体驱动器建立了相应的力学模型,得到了弯曲角度与输入气压的关系,并利用ABAQUS 有限元仿真软件对驱动器弯曲特性进行仿真。对比发现,理论建模和仿真分析在驱动器弯曲角度具有很高的吻合性。     

三足软体爬行机器人设计与研究

设计了一种三足软体爬行机器人,完成了机器人的直线、转向和路径规划运动实验研究.该软体爬行机器人采用了模块化设计,躯干和腿由硅胶和3D打印材料结合制造而成,便于组装和维护.软体爬行机器人前后腿的末端分别固定有摩擦滑块,用以辅助运动.软体爬行机器人采用电机-线缆驱动方式,通过对驱动电机的控制器编程,控制3个驱动电机协同工作来实现不同的运动形式,进行了直线爬行、转向运动和路径规划实验.实验结果证明,所提出的三足软体爬行机器人具备连续爬行和切换运动模式的复杂运动功能.     

软体机器人研究综述

机器人技术广泛应用于工业生产、医疗服务、勘探勘测、生物工程、救灾救援等领域.传统机器人大都由刚性机构组成,存在环境适应能力低的缺点.软体机器人是一类新型仿生连续体机器人,可以任意改变自身形状,在非结构化环境中应用前景广阔.综述了软体机器人的仿生机理、驱动方式、建模与控制方法等关键问题,并通过分析和梳理软体机器人技术发展中的瓶颈问题及可行解决方案,探讨了软体机器人技术的发展趋势.     

新型变刚度软体手臂的设计及控制

软体机器人具有机构重构性、适应性及灵活性.基于气动系统的软体机器人具有质轻、功率密度比高、人机交互安全性高等优点,设计了一种由伸长型及收缩型气动肌肉组成的新型变刚度软体机器人手臂.根据该软体手臂的运动特性建立了运动学模型,利用MATLAB软件分析了手臂的工作空间.搭建控制实验测试平台,完成了手臂的轨迹运动控制实验,实验结果表明:跟踪阶跃信号上升时间小于2s,稳态平均误差为0.0028rad(0.16°),正弦信号跟随响应曲线平均误差为 0.0159rad(0.911°),手臂具有良好的可控性.     

基于行人间交互意图检测的服务机器人导航

针对人与机器人共存环境中的机器人导航问题,提出一种基于行人间交互意图检测的服务机器人导航方法.首先,融合RGBD(红-绿-蓝-深度)信息和激光信息获取准确的行人运动轨迹,从行人轨迹中提取交互意图特征,基于贝叶斯理论检测出行人间是否存在交互意图;然后,将存在交互意图的行人之间区域设置为交互区域;最后,在地图中的交互区域设置临时障碍物,使机器人路径规划避开交互区域.实验结果证明了所提方法的有效性.     

无环境阻力的尖端生长型软体机器人研究综述

尖端生长型软体机器人是一类新型的软体机器人,其制作简单、成本低,通过压力驱动主体外翻实现机器人的"生长",且具有运动过程中无环境阻力的独特优势,在诸多领域有着广阔的应用前景.目前,机器人的变刚度控制、大范围变形检测及精准控制是软体机器人存在的三个主要问题.围绕提出的软体机器人存在的三个主要问题,从机器人灵感来源、基本结...     

基于自适应阻抗控制的轮足式机器人隔振控制研究

轮足式机器人在行进过程中不可避免要与环境发生交互,在环境信息（刚度与位置）未知与时变的情况下,传统的阻抗隔振力控制方法由于目标阻抗模型的参数固定,存在鲁棒性较差的问题.在阻抗控制的基础上,基于Lyapunov稳定性定理设计了自适应阻抗控制器.该方法通过一个位置补偿量来间接调整阻抗参数,使系统稳态误差为零,提高了控制方法对未知多变环境的适应性;针对机器人轮式运动通过不同减速带的隔振问题进行了实验,证实了自适应阻抗控制方法的优越性.      

机器人系统中环境动力学模型及其参数辨识

根据机器人系统中环境的本质特征，本文提出了环境动力学既有刚体运动力学特性，又有表面开变动力学特性的观点；由此建立了新的环境动力学模型，给出了该动力学模型参数辨识的遗传算法模型，理论分析和实验研究表是该模型及其参数辨识方法是实用的，可行的。     

混合驱动连续型机器人设计

连续型机器人具有本质柔顺的本体结构,由此带来的环境适应性和安全性得到了人们的广泛关注.然而柔软的结构也可能导致机器人负载能力和定位精度的不足.针对这种情况提出了一种全新的混合驱动连续型机器人,能够平衡结构柔顺性、定位精度、刚度等性能.该机器人的驱动器在传统气动肌肉的基础上内置弹性杆,保持了系统的紧凑性.通过模式切换机构使驱动器能够在气压驱动与弹性杆驱动两种模式间切换以实现大范围运动和小范围精确定位,并在这个过程中拥有不同的刚度.当机器人进行大范围运动时,由气动肌肉提供主要的行程和输出力;当机器人到达指定工作位置附近时,由直线电机牵引弹性杆驱动机器人末端实现精确定位并提高机器人的刚度.基于力平衡的原理建立了混合驱动器的气压-长度模型,通过模型仿真与实验结果的对比,发现驱动器死区的存在并修正了该模型,验证了机器人驱动器抗迟滞的特性.通过不同姿态与驱动方式下对机器人施加外力的实验证明了机器人的变刚度特性.通过对机器人末端的定位实验验证了混合驱动连续型机器人的重复定位能力相较于单纯气压驱动方式有显著增加.结果表明,通过混合驱动的方式提供了一种具有变刚度效果并能有效增强柔性连续型机器人定位精度的方法.     

模块化软体机器人多模式运动分析

为了探讨模块化软体机器人驱动模式多样性对实现有效运动的影响,设计了一个6模块软体爬行机器人,并进行了多模式运动分析。使用差动运动模块设计了一个通过前进波在机体上的传递实现运动的机器人;分析了爬行过程中充放气模块的受力状态和充放气模块位置间隔之间的关系,得出了满足充气时模块获取的运动量、放气时模块向前传递运动量这一单向运动必要条件的位置间隔关系式,依据该模型得到了6模块机器人的10种可行运动模式;采用集中质量法对机器人建立拉格朗日动力学模型,通过ADAMS仿真验证了不同驱动模式的可驱动性;通过实验验证了机器人的可行运动模式并得出了不同模式下的运动速度。研究结果表明:使用充放气模块位置间隔关系公式来分析模块化爬行机器人运动模式可行且准确;多模块软体机器人具有丰富的运动模式,依据驱动模式的不同即可实现运动速度的变化;通过选用高效的运动模式A1D2,多模块机器人可实现最大运动速度13.2mm/s。     

模块化软体机器人运动模式

设计了一种模块化软体机器人，其由多个可变形的球形模块单元组成，根据球形模块单元的膨胀和收缩，能改变自身的尺寸向前移动.应用有限弹性理论，分析了球形模块单元的充气膨胀过程，结果表明球形模块单元的初始膨胀半径越小，其最大压力越大.描述了3个球形模块单元依次膨胀和收缩过程，得出1个周期内该软体机器人的运动模式.最后, 通过3个球形模块软体机器人膨胀和收缩运动的实验,验证了模块化软体机器人运动模式的可行性.
     

仿青蛙游动软体机器人控制系统设计

控制系统是机器人实现运动的关键.通过对所设计的由气动软体致动器驱动的仿青蛙游动软体机器人的机械结构和其仿生游动功能需求的分析,建立气动系统和电气系统,并通过Labview编写上位机软件,采用无线通讯的方式实现对仿青蛙游动软体机器人的远程调控以及数据采集,避免外接线束和管路对仿青蛙游动软体机器人运动的干扰,方便对仿青蛙游动软体机器人运动性能进行测试.经过实验验证,所设计的控制系统性能稳定、工作可靠,完全满足仿青蛙游动软体机器人的功能需求.     

机器人软体材料研究进展

 机器人软体材料分为软体驱动材料和软体感知材料,在仿生机器人中分别起到效应器与感受器的作用。故在制造仿生机器人时,软体材料的开发越发重要。本文概述了机器人软体材料与软体机器人概念上的差异,按照软体驱动材料和软体感知材料分别综述了机器人软体材料的发展动态,并探讨了这两类重要的机器人软体材料研发方面挑战及趋势。     

未知环境下基于VFH+物理仿真耦合模型的机器人避障

针对传统机器人避障实验流程繁琐、实验成本高等问题,基于改进的向量场直方图算法建立算法模型,再将算法模型与动态仿真(Simulink)模块下建立的物理仿真模型相耦合,实现耦合模型的机器人避障仿真.基于改进前后两种算法的耦合模型,控制相同机器人在同一障碍物环境下进行避障实验.研究结果表明:该模型成功实现了未知环境下机器人系...