一种蛇形机器人蜿蜒运动的实现及环境适应性研究

生物蛇数量众多的脊椎骨以及无足的身体结构,使其形成了特殊的蜿蜒式前进步态,能够广泛适应于草地、沙漠和湖泊等起伏地形,这种节律性的运动方式被证明是由中枢模式发生器(CPG)控制的.利用Hopf振荡器的稳态特性建立了能够实现蛇形机器人蜿蜒步态的CPG步态控制网络,依据蛇形机器人的模型仿真器得到了控制蜿蜒运动的CPG网络参数,并利用该网络的输出蛇形机器人成功实现了前进.根据Hopf振荡器对控制参数突然变化的良好适应性,通过在线调整得到了新的输出.讨论了面对复杂环境时蛇形机器人转弯运动的实现以及改变蛇形机器人身体S波构形来提高其环境适应性的方法.在蛇形机器人样机上的实验证明了基于CPG的运动控制方法在蛇形机器人蜿蜒运动上的有效性.     

基于Webots的蛇形机器人蜿蜒步态规划及偏移补偿

仿生蛇形机器人对复杂环境具有良好的适应性,应用前景广泛.针对蜿蜒运动初始时刻的突变问题和运动过程中存在的偏移问题,提出优化方程,并对蜿蜒运动步态进行规划,研究了模型参数对机器人运动速度、偏移的影响,分析运动控制参数,并对运动步态偏移进行补偿.通过Webots仿真实验表明:运动控制参数决定了蛇形机器人的运动形状、偏移量及...     

被动自适应机器人机构学与运动机理研究

针对复杂地面环境提出一种具有被动自适应能力的轮-履复合移动机器人,该机器人主要由车体模块和轮-履复合模块组成.轮-履复合模块由平面连杆机构演化而来,具有一个自由度,在单驱动力作用下可根据环境中的约束表现为不同的运动模式.通过分析机器人各构件间运动关系,建立了轮-履复合模块的数学模型,并对机构各参数进行了优化.对机器人的爬坡、翻越台阶等运动能力进行了分析,并使用多刚体软件进行仿真实验,验证结构设计和参数选择的合理性.     

自重构模块化机器人的结构

在国外自重构机器人研究的基础上,设计开发了-种新型的网格型的雌雄同体的自重构模块化机器人.机器人中每个模块由一个中心体和6个可独立旋转的面组成,每个面上有2个孔及2个可自由伸缩的轴,驱动电动机通过减速器、锥形齿轮、同步带轮、离合器驱动6个面转动及每个面上轴的伸缩.该模块化机器人结构紧凑,便于进一步扩展.     

自重构模块化机器人的结构

在国外自重构机器人研究的基础上，设计开发了一种新型的网格型的雌雄同体的自重构模块化机器人．机器人中每个模块由一个中心体和6个可独立旋转的面组成，每个面上有2个孔及2个可自由伸缩的轴，驱动电机通过减速器、锥形齿轮、同步带轮、离合器驱动6个面转动及及每个面上轴的伸缩．该模块化机器人结构紧凑，便于进一步扩展．     

模块化自重构机器人蠕虫构型的运动控制

提出了一种采用相对方位系数与标准构型步态控制表结合的控制策略,对由n(n≥4)个模块组成、模块放置方位变化的自重构机器人蠕虫构型进行运动控制.利用模块之间的分布式通信和上位机主控相结合的通信方式,构型中的各个模块根据与相邻模块的相对方位关系和标准步态表自行决定自身的运动序列,可以对蠕虫机器人进行实时控制.对2组由不同数目、不同方位模块组成的蠕虫构型的运动控制进行了实验.实验结果表明:该方法实现简单,可以针对模块数目不定、方位可变的自重构机器人蠕虫构型进行实时运动控制.     

可分体轮腿四足机器人的运动模态分析与轨迹切换

【目的】煤矿井下地形复杂多变且空气中含有多种易燃易爆气体，具有极高的危险性。为了降低巡检风险，提高巡检效率，提出了一款具有多种运动模态的可分体轮腿四足机器人。【方法】分析了该机器人的腿模态、轮模态、轮腿混合模态、躯体分离组合模态、双臂夹持模态等5种主要运动模态。阐述了单腿结构参数并基于蒙特卡洛法绘制了机器人的腿部工作空间；利用加速度倒推法消除了足端纵向的加速度突变，优化了机器人腿模态下的足端轨迹；基于5次多项式的轨迹特点规划了机器人多个运动模态相互切换的轮腿切换轨迹；基于Webots与MATLAB的联合仿真环境，验证了机器人腿模态下使用Trot步态的稳定性及轮-腿模态切换轨迹的柔顺性。【结论】研究内容可为可分体轮腿四足机器人在矿井环境中进行巡检作业提供理论基础。     

基于类蜘蛛仿生煤矿救灾机器人步态研究

基于类蜘蛛仿生多足煤矿救灾机器人是一种具有冗余运动、多支链、时变拓扑运动机构的特种机器人,利用类蜘蛛仿生煤矿救灾机器人模仿了蜘蛛的行走特点,遵循蜘蛛行走时的摆腿顺序,在不同情况下设计不同的摆腿行走顺序,使煤矿救灾机器人的灵活性以及对复杂环境的适应性大为增强,能够快速灵活的进入煤矿巷道中,对巷道中的复杂情况进行及时了解并及时处理.通过对机器人学的研究,能更好的符合仿生学的发展方向和趋势,使步态模仿蜘蛛法达更加合理稳定的效果,进一步提高机器人的行走速度,缩短救援时间,加强救援能力.     

一种小口径井下救援机器人系统设计

小口径深井救援机器人的研制目的在于改变落井事故的救援方式。系统采用模块化的设计结构,分为井上救援操作平台和井下救援机器人本体两部分:井下部分的机器人本体由抱持手臂、探接手臂、本体机架、机器人定位支撑四个模块组成;井上部分为机器人的操作与控制模块。本体中的抱持手臂、探接手臂等救援动作执行机构,在设计中将其所要承担的救援载荷与机构动作时所要克服的工作阻力在空间正交,从而实现救援载荷由模块结构承担,无需模块上的机构动作驱动电机提供动力,机构动作则采用小功率直流电机驱动,因此系统可以由低于36V的直流电源供电;机器人的操作与控制通过Wi-Fi定向无线传输系统实现。试验表明,系统能够实现有效救援。     

双足机器人节能步态规划算法

为提高双足机器人的步行性能,提出基于五质心倒立摆模型的节能步态规划算法。算法包括步态参数优化算法和步态合成算法。步态参数优化算法允许身体做三维运动,以有限阶傅里叶级数的系数表征特定步长下机器人身体的运动空间。通过离散化这些系数,使运动空间网格化。进而对网格交点进行逆动力学计算,划分出满足允许零力矩点区域要求的种子集合。算法以电机的负荷转矩和角速度的乘积为能耗指标函数,在每个种子的邻域迭代计算。按照最大梯度原则逐次逼近函数极小值,此时的电机角度序列作为对应步长下的解,存入数据库。步态合成算法按照步行距离,规划由起始步、中间步和停止步构成的完整行走轨迹。按照行走步长,从数据库读取腿关节电机的角度序列,并依据双足机器人行走中反馈的零力矩点,对序列进行修改。为验证算法有效性,进行了动态仿真实验和现实环境中双足步行实验。实验结果与固定身体高度或允许身体垂直运动的算法对比,证明步态算法具有明显的节能效果。该算法实现低能耗和高鲁棒性的折中,较好地解决具有高度非线性特征的双足机器人行走问题,为煤矿救援机器人的开发开辟一种新途径。     

仿生四足机器人嵌入式控制系统设计与实验分析

仿生设计一款小型的单腿具有四自由度的仿生四足机器人,开展机器人运动学正逆解分析。基于ARM Cortex-M3内核的嵌入式芯片建立了机器人控制系统。该控制系统以半双工串口通讯方式向各个关节数字舵机发送步态数据包,控制舵机转动角度值,从而精确地控制四足机器人的稳定协调运动。实验结果表明:机器人在行走过程中机身的横滚角、俯仰角、偏航角(RPY角)变化较小,运动较为平稳,验证了机器人运动学正逆解准确性;以及所设计的嵌入式控制系统能较为精确地控制四足机器人运动,实现稳定的四足行走。该小型的嵌入式控制系统具有运算处理速度快、外设可扩展性和存储能力强的优点,满足仿生四足机器人智能算法、低功耗运动要求。     

气动柔性关节六足机器人步态设计与实验

设计三自由度气动柔性关节六足机器人直行、原地回转以及定半径回转运动过程的步态实现方法,搭建运动学实验平台,验证所设计步态的合理性,分析最佳运动性能参数.实验结果表明:机器人步态设计合理可行,在动作频率为2 Hz,负载500 g,直行气压0.20 MPa,单次转体回转角度15°,定半径50 mm转弯下,运动性能最佳.     

人工肌肉多自由度弯曲柔性关节的仿生蛇形机器人

设计了一种由气体驱动的波壳伸缩式人工肌肉的、多方向弯曲的柔性关节,阐述了由此弯曲关节为基础的模块、及由多模块构成的蛇形机器人的设计思路.此关节原理采用万向节为柔性骨架,弹性的波壳受气压后轴向膨胀作为肌肉动力.给出了柔性关节的简单结构、蛇形机器人的基本构造、接受与控制系统的硬件组成,气体驱动系统的原理图以及旋转配气阀的结构.     

液压驱动滚动并联机构运动可行性与仿真分析

提出一种新型三自由度液压驱动滚动并联机构。各条支链采用液压缸驱动的反平行四边形机构,通过支链的伸缩比放大作用实现并联机构整体的大变形,并利用液压系统响应快速、输出力强的特点,保证并联机构的移动灵活性与大负载能力。描述该并联机构的组成、特定条件下的奇异位型以及1个翻滚步态周期的5种地面支撑状态与给定机构参数下液压杆伸缩的可行域。对并联机构在5种地面支撑状态的运动可行性与可行域以及基于ADAMSTM对翻滚过程的动力学仿真进行分析。研究结果表明:该机构实现了翻滚运动,同时得到了运动过程中液压缸的位移、伸缩速度与受力数据,可为实验样机设计与构型优化提供参考。     

偏心轮腿六足机器人四足步态规划

提出了一种适用于偏心轮腿六足机器人的直行四足步态规划.以一个运动周期为例,分析了偏心轮腿六足机器人直行过程中5个阶段的运动状态,以及每个运动状态中偏心轮腿步态的参数变化并用状态矩阵加以描述.将该步态用于所设计的偏心轮腿六足机器人,在驱动电机的控制下,能保证机器人的直行前进.     

小型轮/履变结构移动机器人设计及越障分析

针对非结构环境中路面软硬相间、平坦与崎岖并存的地形特征,提出了一种小型轮/履变结构移动机器人,兼具有轮式移动机器人的快速移动性和履带式机器人的高越障性的优点. 机器人主要由控制箱单元、两个相同的轮/履变结构行走单元和尾支杆单元组成. 本文旨在介绍机器人的系统构成和行走单元的关键机构设计——行走轮定位、四连杆变换机构及可伸缩履带,分析对台阶、楼梯类地形的越障性能. 实验结果表明:机器人采用的行走轮定位方法可靠,四连杆机构及可伸缩履带能够快速完成轮/履切换,对于台阶、楼梯典型地形具有高通过性,从而为轮/履复合机构技术实施途径和新的行走机理研究打下基础.      

核电站热交换器传热管外部检测机器人的研制

针对核电站热交换器人工检修作业异常困难的现状,提出了利用机器人进行传热管外部自动化检测的方案.采用模块化设计方法设计了由纵向移动模块、旋转模块、定位模块、伸缩模块、小车模块、底座和3个驱动器等部分组成的机器人本体.小车搭载微型摄像头,可在传热管束的横向间隙中移动,对相关区域进行视频检查.提出了3-CSR并联机构形式,设...     

自重构机器人模块结构及其拓扑关系研究

构建了一种新颖的、点阵晶格型自重构机器人的基本模块，它由1个中心体及6个旋转面组成，中心体内由相互正交的六个锥形齿轮组成机械传动结构，完成1个电机驱动6个旋转面转动的功能，并给出了电机及模块结构性能参数；研究了该类自重构机器人模块间的空间运动原理；基于该机器人基本模块的特点，提出了一种面面映射矩阵(face-face incidence matrix-FFIM)方法，它能准确地描述不同动态模块间的拓扑关系，并给出一个5模块自重构机器人系统变形例子及其自重构过程中模块之间拓扑关系的变换矩阵来证明该方法的有效性.     

自重构自修复机械系统的模块设计与描述

设计开发了一种新型的点阵晶格型雌雄同体的自重构自修复模块化机械系统.该系统每个模块(第I代)由1个中心体和6个可独立旋转的带有2个孔和2个可自由伸缩轴的面组成,相邻两模块的轴插入对应孔中,完成对接动作.每个模块由1个电动机通过减速器、锥形齿轮、同步带轮、离合装置驱动6个面转动和每个面上轴的伸缩.仿真结果表明,该模块结构设计紧凑,能快速对接、脱离,可实现系统的自重构.     

晶格型模块化软体机器人自重构序列

设计了一种基于膨胀-收缩运动规则的晶格型自重构模块化软体机器人.机器人由多个软体模块组成,每个软体模块由呈正六面体构型的硅胶主体和主从对接面组成.软体模块内部的凸起设计使其具有良好的膨胀性能,主从对接面是由与硅胶主体螺纹连接的铁盘、吸盘式电磁铁组成.基于软体模块体积变化与内部压强的关系式,对软体模块的充气膨胀进行分析,...