基于CAN总线的仿人机器人力信息检测系统

通过对五维力 /力矩传感器的电路结构和已经建立的仿人机器人运动控制系统结构分析 ,提出了一种基于CAN总线的力信息检测系统 .主要介绍了设计思想和方案 ,对接口电路设计的硬件结构和软件流程进行了详细的阐述 .所设计的系统已应用于仿人机器人的力信息采集 ,通过实验证明能够较好地完成力信息的实时采集与传送 .     

人工智能在机器人力控制系统中的应用研究

鉴于以往在机器人力控制中存在某些不足 ,将人工智能方法引入基于力传感器的机器人力控制中 ,尝试利用模糊控制理论与阻抗控制策略相结合对机器人进行更有效的力控制 .给出了系统的硬件结构 ,设计了力控制器 ,最后根据具体实验得出实验结果 .为解决机器人力控制问题提供一种新的方法 .     

仿生六足机器人基于足力分布的位姿调整策略

针对六足机器人非结构化地形稳定步行问题,研究了基于足力分布的位姿调整策略.通过力学分析建立了机器人任意步态模式下的足力分布模型,获得足底受力的平衡关系;采用重心位置调整策略实现了机器人步行过程中的位姿优化,来提高步行稳定性;并且建立了虚拟悬挂模型,采用足力补偿的方法对外界的扰动进行抑制,进一步提高机器人步行的稳定性.通过仿真验证了该调整策略对提高机器人步行稳定裕度的有效性.     

应用于力促动器的高精度力采集系统设计

对力信号的高精度采集是实现力促动器系统精确控制的前提。设计了高精度力传感器信号采集系统,包括力采集模块、DSP处理模块和上位机软件。力采集模块在对力传感器信号调理后采用ADS1259芯片实现了模数转换过程;DSP处理模块读取ADC输出的数字信号并与上位机通信;上位机软件使用Python设计,实现了对数字信号的处理与显示。经过测试,该系统采集误差小于0.1 m V,采集数据波动小于20μV,可以为力促动器系统的闭环控制提供依据。     

虎纹捕鸟蛛运动反力测试

动物运动反力的测定将揭示动物运动过程的力学规律、启发仿生机器人控制设计.用三维力传感器测定虎纹捕鸟蛛水平运动时的三维运动反力,高速摄像分析虎纹捕鸟蛛各步足的功能.结果表明蜘蛛前足支撑相和摆动相不连续,运动方向受到的力始终和运动方向相反,起探测和辅助支撑作用.后足受到的力最大,方向始终和运动方向相同,起主要驱动作用. 中间两对足受到的力在支撑相前段与运动方向相反,在支撑相后段与运动方向相同,但侧向力最大,对稳定运动贡献较大.运动中,法向反力显著大于侧向和运动方向的反力,各步足的支撑角变化不大,均在60°-70°间.上述结果表明了蜘蛛运动中各步足力学功能的差异,为启发机器人结构设计、步态规划和控制规律提供了仿生依据.     

基于力控制模式的四足仿生机器人的动力学仿真

针对四足仿生机器人,研究了基于力控制模式下的四足仿生机器人的动力学仿真实现方法.首先利用虚拟现实建模语言对四足仿生机器人进行仿真模型的建立和有关参数的定义;然后对四足仿生机器人按照空间向量代数建立运动学方程;接着,采用迭代牛顿-欧拉算法对四足仿生机器人进行逆动力学分析,以求得在力控制模式下的动力学仿真所需的各关节驱动扭矩,并建立了基于机器人中间件的动力学仿真系统.最后,通过四足仿生机器人在对角小跑步态下的动力学仿真实验,验证了该方法的有效性和实用性.     

仿猎豹四足机器人结构设计与分析

为满足四足机器人高速奔跑运动性能所要求的脊椎具有柔性和腿结构具有良好的缓冲性能要求,在仿猎豹四足机器人上设计了一种液压驱动的柔性脊椎和腿结构.该脊椎是变截面梁,中间有柔性.该腿结构有髋关节和膝关节,有3个自由度,髋关节有2个主动自由度,即侧摆自由度和俯仰自由度,膝关节具有被动的俯仰自由度.对该脊椎进行了力学分析,对该腿结构进行了刚度特性分析和运动学分析,并对机器人进行了Bound步态仿真.仿真结果表明,这种具有柔性脊椎和非线性刚度变化的腿结构的仿猎豹四足机器人,能够以Bound步态实现较快的稳定奔跑,且足端接触力较小,由此验证了柔性仿猎豹四足机器人脊椎和腿结构的设计是有效的.      

四足机器人步态参数优化及探索性行走策略

为实现四足机器人在复杂的地形环境、有限的能量供应和不可预知的干扰下运动稳定，提高四足机器人穿越复杂地形的能力，采用了粒子群优化算法对经典步行步态参数进行优化，提出了一种易于实现、能适应不同地形的探索性步态. 所提出的探索步态不需要立体视觉或激光雷达所感测到的任何地形信息，机器人通过IMU传感器和足端力传感器接触地面来感知地形. 针对提出的优化方法和步态策略进行了仿真和实验，验证了所提出的探索性步态在穿越不平坦地形时的运动能力.      

基于多传感器信息融合的仿人机器人跌倒检测及控制

仿人机器人在行走过程中,需要及时检测到是否要摔倒,从而阻止摔倒或通过保护动作在摔倒过程中减少机器人损伤.文中基于姿态传感器(包括加速度传感器和陀螺仪)、力感应传感器(FSR)及步行阶段建立了多传感器信息融合模型,采用模糊逻辑决策方法建立了机器人跌倒检测的综合判定方法,并设计相应的控制器,该控制器可检测到仿人机器人运动时是否会摔倒,若无法避免摔倒,则采取相应的保护动作;若可避免摔倒,则通过控制髋关节阻止机器人摔倒.最后在SCUT-I仿人机器人上进行实验,结果表明,文中方法能及时检测到机器人在运动过程中发生跌倒的时刻,并及时通过稳定控制器阻止摔倒或通过倒地控制器产生保护动作,减少机器人的损伤.     

仿壁虎粘附阵列与粗糙表面间粘附仿真分析

根据线性梁理论，针对仿壁虎粘附阵列与服从高斯分布的粗糙表面，分别建立了在动态粘附接触与动态脱离过程中二者相互作用力模型．基于合理的参数选择，讨论了该作用力与二者间的间距、预压力及夹角等因素的关系，并得到仿真结果．这一研究为仿壁虎纳米粘附阵列的设计提供理论参考．     

基于单线激光雷达的廊道环境数字重构技术

针对廊道环境的数字重构问题,设计了一种基于单线激光雷达的数字重构系统.该系统利用移动机器人搭载单线激光雷达传感器,构建三维雷达扫描系统,实现廊道环境的自动扫描和实时重构.首先进行系统的硬件搭建,其次详细介绍了系统的数字重构过程,主要包括移动机器人控制模块设计、坐标转换、数据融合等.为了解决移动机器人运动偏离的问题,在控制系统中加入模糊PID(porportion integral differential)控制算法,保证了系统数据采集的准确性.对于2D点云到3D点云的转换的问题,提出了一种里程计数据和激光雷达传感器数据融合的方法.最后进行实验测试.结果 表明:该系统可以实现对一般复杂的廊道场景进行自动化采集和实时重构,不仅精度高而且重构特征明显.     

多功能破拆机器人工具头换装可视化研究

针对多功能破拆机器人危险工况作业与远程工具头换装问题,提出一种基于机器人操作系统的可视化换装方法。该方法可实现传感器数据采集、工具头位姿检测、机器人运动状态三维可视化、数据处理与存储等功能。首先分析可视化平台的组成及基本原理,建立机器人运动学模型简述运动学理论、液压缸与关节角的换算关系,给出机器人运动状态的可视化;然后分析工具头位姿获取及可视化,以Apriltags作为视觉基准系统,利用视觉检测实现工具头定位完成工具头的可视化;最后搭建实验平台测试可视化平台的实用性和稳定性。结果表明可视化平台能够有效地完成危险工况作业状态的实时监测与机器人远程工具头换装任务。     

轮足式爬壁机器人的磁吸附结构设计与优化

近年来,随着中国劳动力成本的不断上涨,机器人协助或代替人工作业已受到越来越多人的关注。通过开发爬壁特种机器人,可以减少对自然环境造成的污染,降低工作风险和强度,提高劳动效率。然而,在大型金属立面维护机器人作业过程中,永磁吸附会影响机器人的越障灵活性,提高越障灵活性变得尤为重要。针对一种具有越障能力的三段式轮足爬壁机器人本体模型,设计了一种体积小、单位磁能积大、磁铁-轭铁-磁铁交叉排布且能够在机器人越障时提供可靠吸附力的复合式变磁力吸附模块。通过设定优化函数对复合式变磁力吸附模块的各项参数进行逐级优化设计,包括复合式变磁力吸附模块与壁面间距、复合式变磁力吸附模块上部轭铁厚度及磁铁厚度、复合式变磁力吸附模块磁铁间隙轭铁厚度、磁铁宽度及间隙数,从而得到详细的复合式变磁力吸附模块模型,以132 mm(长)×212 mm(宽)×39 mm(高)的体积就满足了机器人越障状态下单组复合式变磁力吸附模块所需提供的3 200 N吸附力。     

四足机器人斜坡运动的自适应控制算法

受到自然界中四足动物运动的启发,提出了一种四足机器人对角小跑步态下的坡面运动自适应控制算法.在机器人质心原有运动轨迹上加入横向和纵向偏移补偿量,并采用符号微分策略梯度法对质心偏移补偿量进行自动调整,以减少机体翻转力矩和对角足着地时间差,从而提高机器人运动稳定性.在Webots软件中建立了四足机器人的模型并进行仿真试验,仿真结果表明所提出的算法能够有效提高四足机器人坡面运动的稳定性.      

移动机器人空间姿态测量系统研究与设计

未知环境中机器人的自主导航研究一直是非常具有挑战性的前沿课题,要求机器人在定向移动之前必须先调整好自己的空间姿态;捷联惯性导航对空间姿态信息有明确的定义,具体通过倾斜角、方位角和工具面角来体现;针对目前已公开的空间姿态信息的解算数学模型存在缺陷的问题,结合空间坐标变换、空间直线方程和狗腿角的定义推导出倾斜角、磁方位角和工具面角的数学模型,并利用三轴加速度计和三轴磁强计给出具体的实现方案;测试结果表明:该方案能获得正确的空间姿态数据,倾斜角误差在±0.1°以内,磁方位角和工具面角误差在±1.5°以内,且成本低廉,体积小巧,是测量空间姿态的理想选择。     

基于位置控制的多自由度机械臂非线性比例-微分阻抗控制

机器人柔顺控制可以响应环境变化,但接触信息的延迟以及未知机器人系统的跟踪误差等问题均导致接触瞬间力矩超调严重。针对上述问题本文提出一种基于自适应位置控制的改进阻抗控制策略,实现快速、精确的位置跟踪,同时,提高力控制的响应速度和精度。本策略采用双环控制,外环在传统阻抗模型基础上引入非线性接触力微分项在保持系统稳定性的同时提高机器人对接触力变化的响应,有效降低接触力超调;内环为自适应滑模控制,并使用RBF神经网络逼近机器人动力学模型并补偿系统中不确定性扰动,提高了系统的鲁棒性,提高收敛速度并降低跟随误差。通过仿真与实验,验证了所提出的改进阻抗控制方法相比于传统的阻抗控制方法有更好的力控响应速度和位置跟踪精度,可有效解决机器人与环境接触瞬间的接触力超调问题。     

多连杆混联仿生腿式起落架设计与着陆实验研究

针对垂直起降飞行器对着陆场地的硬度及平整性要求高、传统起落架智能化程度低的问题,设计了一种基于多连杆混联机构的仿生腿式地形自适应起落架。本文首先针对单腿的设计构型进行驱动力矩分析与机构优化,在此基础上完成结构设计。其次基于设计构型提出了相应的驱动与运动控制算法,建立控制系统,并针对四腿机构进行着陆仿真。最后以多旋翼无人机为对象,设计了一套仿生起落架系统,与多旋翼无人机形成了整体的验证平台,实现地形识别-飞控-多腿控制融合设计,完成了搭建结构化地形的自适应着陆实验。研究结果表明,多连杆混联式仿生起落架设计方法可应用于垂直起降飞行器起落架的设计中,可完成设计载重的斜坡、台阶、凹凸地面等复杂地形的着陆,具备自适应着陆的能力。     

基于人体姿态信息的下肢康复机器人运动控制技术

针对下肢运动功能障碍患者术后康复训练辅助设备的跟随控制问题,本研究提出一种基于人体姿态信息的下肢康复机器人运动控制方法。根据康复机器人的结构特性和功能要求,建立机器人运动数据信息采集系统和下肢康复机器人的运动学模型;构建机器人平台上的人体姿态行为信息采集传感器系统,通过分析位移传感器所采集的数据,得到表征人体姿态行为变化的相关信息,经上位机计算生成康复机器人的期望跟随速度;同时,基于模糊PID控制算法设计了跟随控制器。通过仿真和实验验证该控制算法能够有效减小机器人实时跟踪使用者运动过程中的误差,实现康复机器人对人体运动姿态良好的跟随效果。     

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...     

仿生原型毫-微牛级力测试技术研究进展

许多动物依靠自然进化形成能够展现优异功能的身体结构,以其作为仿生原型,可为工程领域存在的复杂问题提供有效解决途径.仿生原型毫-微牛级力测试技术可为揭示仿生原型运动力学机制提供必要的测试手段.从呈现优异功能特性的典型仿生原型入手,综述了用于仿生原型运动功能与材料物理特性定量表征的毫-微牛级力测试技术研究进展,重点分析了传...