轮式腿型机器人的越障分析与仿真

为了提高地面移动机器人的地面适应性和越障能力,通过模仿昆虫的腿形,在移动机器人机械本体上设计了一种轮式腿结构.同时选择了轮式腿结构布局的最优方案,提高了机器人运动的平稳性.针对该种结构在非结构环境中的越障性能进行了相关的分析,从理论上分析了具有轮式腿结构的机器人具有很强的越障能力和越障平稳性.并用ADAMS (Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems) 对该机器人进行了运动学的仿真,仿真结果表明具有轮式腿结构的机器人具有较强的越障能力,可以翻越高度为轮式腿半径1.2倍的垂直障碍,验证了机构的可行性和越障原理的正确性,为轮式腿型机器人的进一步研究提供了理论基础和依据.     

二驱动球形机器人的全方位运动特性分析

介绍一种新型二驱动球形机器人,它使用两个电机作为输入,而球形机器人在平面运动具有三个自由度,所以属于非完整欠驱动系统.内驱动机构通过改变配重重心的位置实现了球形机器人沿任意方向的运动,且球形机器人的位姿影响了球形机器人沿不同方向运动的灵活性.阐述了它的结构特点,利用非完整系统力学理论对球形机器人运动学、动力学进行了初步分析.采用欧拉角和三维转动群知识对球形机器人的全方位运动学特性进行了分析.     

被动冗余度空间机器人动力学控制

研究了被动冗余度空间站机器人的动力学控制问题，包括非完整系统的运动规划，渐进稳定的动力学控制规律；在动力学控制中，利用被动冗余度机器人“非完整自运动”的运动学优化方法完成机器人的动力学控制，构造的动力学闭环控制律保证机器人运动过程中末端跟踪期望的运动轨迹，通过三连杆空间站机器人模型进行了仿真，结果证明了得到的结论。     

灵巧壁面移动机器人运动学和动力学研究

灵巧壁面移动机器人是一个约束可变的系统,其可控性问题有待于证实.针对履带驱动方式具有非完整约束的性质,利用李群理论和微分几何的分析方法,对各种构型情况下灵巧壁面移动机器人运动学和动力学特性进行了研究,证明了灵巧壁面移动机器人的可控性,建立了机器人动力学方程,为机器人控制器的设计提供了理论指导.      

六轮腿式机器人结构设计与运动模式分析

复合运动模式机器人是移动机器人研究的热点之一。轮腿复合式机器人综合了轮式机器人的快速性和腿式机器人的灵活性,能更好地适应复杂地面环境。设计了一种圆周对称的六轮腿式机器人,其新型的轮腿组合方式使其在不增加多余驱动的基础上,通过改变自身构态实现轮腿运动模式的切换,降低了结构的复杂性,避免了轮子当作足在行走过程中磨损造成的不良影响。给出4种典型"3+3"三角周期步态和不同步态行走过程中的等效机构,建立了单腿正运动学和逆运动学模型,分析了不同步态间切换过程。根据机器人的特殊轮腿结构进行了轮腿运动模式切换规划,并分析了轮式运动和轮行过程中的转向问题,建立了4种轮行转弯运动学模型。通过轮腿式机器人样机试验,验证了其步行运动、轮行运动以及不同运动模式切换的能力。      

基于Lyapunov方法的双臂空间机器人避障碍分级非完整运动规划

以Lyapunov方法为基础,讨论了载体姿态与位置均不受控制的双臂空间机器人系统的避障碍分级非完整运动规划问题.该方法充分利用系统的非完整动力学性质,以系统动量矩守恒关系及运动Jacobi关系为基础,建立控制设计所需的系统状态方程及控制输出方程;并在Lyapunov函数的选取上采用两级采取方式,即初级Lyapunov函数确保双臂空间机器人的两个末端抓手从初始位置运动到指定的终点位置,次级Lyapunov函数则确保两个末端抓手避开工作空间中的障碍区域;两级合成则使双臂空间机器人的两个末端抓手既实现了指定的位置移动又避开了障碍区域.系统数值仿真,证明了方法的有效性.      

基于粒子群算法的航天器姿态机动路径规划

研究航天器在星载设备受多种几何约束情况下,大角度姿态机动时的姿态路径规划问题.采用罗德里格斯参数描述姿态,将姿态机动路径规划问题转化为点机器人的三维路径规划问题.基于粒子群优化技术设计了航天器复杂约束下大角度姿态机动的路径规划算法.数值仿真结果表明,该方法对于复杂约束下航天器姿态机动的运动规划是有效的.     

四自由度对称并联机器人结构综合方法

利用螺旋理论,分析了少自由度并联机构中支链运动螺旋系与动平台约束螺旋系的关系,列举了五阶运动螺旋系的支链类型,在此基础上提出了一种四自由度对称并联机器人结构综合的方法,并利用该方法针对动平台3转动1移动的运动特征要求,进行了结构综合,得到多种具有对称结构的四自由度并联机器人机构类型.结果表明:少自由度并联机构的运动与约束通过螺旋数学模型来表达简单直观,便于机构的型综合;同时该方法针对给定动平台的运动特征,可以方便快捷地进行对称结构的型综合,有利于少自由度并联机器人机构的结构创新,为少自由度并联机构的优化设计奠定了基础.     

曲面幕墙清洁机器人攀爬技术

针对国家大剧院超椭球外表面的清洗问题,设计了一种新型自攀爬机器人.机器人具有全方位运动能力,相对于擦洗运动而言,攀爬运动是影响机器人作业安全性的主要因素.分析了攀爬运动的运动学模型,利用拉格朗日方法对该状态下的动力学问题进行了研究,并针对攀爬运动的特殊性,对机器人前后俯仰支撑控制问题进行分析,结合建筑物表面特点并依靠仿真,得到机器人作业过程中俯仰机构受力分布曲线,为机器人攀爬支撑力的切换提供了理论依据.      

Obstacle avoidance handling and mixed integer predictive control for space robots

This paper presents a novel obstacle avoidance constraint and a mixed integer predictive control (MIPC) method for space robots avoiding obstacles and satisfying physical limits during performing tasks. Firstly, a novel kind of obstacle avoidance constraint of space robots, which needs the assumption that the manipulator links and the obstacles can be represented by convex bodies, is proposed by limiting the relative velocity between two closest points which are on the manipulator and the obstacle, respectively. Furthermore, the logical variables are introduced into the obstacle avoidance constraint, which have realized the constraint form is automatically changed to satisfy different obstacle avoidance requirements in different distance intervals between the space robot and the obstacle. Afterwards, the obstacle avoidance constraint and other system physical limits, such as joint angle ranges, the amplitude boundaries of joint velocities and joint torques, are described as inequality constraints of a quadratic programming (QP) problem by using the model predictive control (MPC) method. To guarantee the feasibility of the obtained multi-constraint QP problem, the constraints are treated as soft constraints and assigned levels of priority based on the propositional logic theory, which can realize that the constraints with lower priorities are always firstly violated to recover the feasibility of the QP problem. Since the logical variables have been introduced, the optimization problem including obstacle avoidance and system physical limits as prioritized inequality constraints is termed as MIPC method of space robots, and its computational complexity as well as possible strategies for reducing calculation amount are analyzed. Simulations of the space robot unfolding its manipulator and tracking the end-effector’s desired trajectories with the existence of obstacles and physical limits are presented to demonstrate the effectiveness of the proposed obstacle avoidance strategy and MIPC control method of space robots.     

扁平体空间非合作目标多指外包络抓捕构型设计

针对空间非合作目标抓捕问题,提出了一种扁平体空间非合作目标多指外包络抓捕最优构型设计方法。该方法的核心在于：选择抓捕机构的主手指并控制它跟踪包络点;根据抓捕机构的多指几何关系计算从手指可行抓捕构型;利用外包络抓捕约束条件,以及碰撞检测约束条件,筛选出有效包络构型。与已有方法相比,该方法采用主 从抓捕的简洁模式,可以大大降低抓捕构型优化的计算量,适用于空间非合作目标实时在轨抓捕。进一步,引入了抓捕安全裕度的概念,用于量化抓捕机构多指形成的抓捕包络空间和空间非合作目标运动包络之间的安全裕度。考虑到形成抓捕构型之前尽量避免空间非合作目标与抓捕机构发生碰撞,避免产生二次碎片,在设计抓捕外包络构型时选择最大抓捕安全裕度构型作为最优构型。将该算法分别应用到四边形和正五边形运动目标包络问题中,仿真结果表明了其有效性。     

冗余度机器人力控制的运动学稳定性分析

把非冗余度机器人位置／力混合控制方案引入到冗余度机器人，用线性化的动力学模型对其运动学稳定性进行分析，提出一种改进的基于运动学稳定的冗余度机器人混合控制策略。仿真研究结果证明了所提出方法的有效性。     

Energy efficient reactionless design of multi-arm space robot for a cooperative handshake maneuver

Space robots play a significant role in on-orbit capture, space structure construction, and assembly tasks. Since the robotic arms are attached to a free-floating satellite, the motion of the manipulator in such tasks and the satellite are coupled. Multiple-arm space robots can perform complex cooperative tasks and are superior to single-arm space robots. Current work proposes a reactionless manipulation algorithm for a multi-robotic arm based on the iterative Newton–Euler method for space robots with many task and balance arms. The present work demonstrates two tasks and one balance arm to perform a reactionless handshake maneuver in space. This maneuver is presented in detail for a planar and spatial case. The planar case uses 3 DoF robotic arms, while the spatial case uses 6 DoF robotic arms. In addition, the balance arm has been designed considering the efficient usage of energy satisfying reactionless manipulation concept. The design procedure focuses on minimizing energy used during the motion of the balance arm for a known motion of task arms using a genetic algorithm. Moreover, computational experiments are conducted to validate the use of the genetic algorithm for optimization. The results of proposed reactionless manipulation algorithm have been validated with the results available in the literature for the spatial case that uses a different method. In the future, an energy-efficient balance arm will be designed to handle tumbling objects.     

在轨服务软体机器人应用展望

软体机器人以其安全性高、功能多样、易于驱动等独特的优势，近些年来受到了广泛的关注。对软体机器人应用于未来空间在轨服务任务的设想，首先从现有用于在轨服务任务的空间机器人抓捕装置入手，分析了软体机器人用于在轨服务任务的可行性与优势，然后以软体抓捕装置为例，介绍了软体机器人的发展现状，最后提出了软体机器人用于在轨服务任务的建议。最终目标是通过将软体机器人引入在轨服务任务，提升我国在轨服务的智能化水平。     

结构环境中多机器人无冲突运动规划的研究

对同一结构环境中从事独立任务的多移动机器人的无冲突运动规划进行了系统的研究,提出了一种实时的多移动机器人无冲突运动规划方法--基于优先权的规则法PBR(Priority Based Rules Method).该方法综合了规则法和优先权法的优点,不仅可以采用规则实时地避免机器人与其他物体之间的碰撞和冲突,而且可以根据冲突机器人间优先权的不同在线地解决那些不可避免的冲突.PBR可以提高机器人运动的鲁棒性和执行任务的效率.     

一种基于层次聚类的空间非合作目标重构方法

由于激光传感器内在的缺陷，获得的非合作目标原始点云数据往往处于一个分布不均匀的状态，这就对后续的高质量非合作目标表面重构带来了很大的挑战.提出了一种基于全局约束的局部层次聚类方法来提升非合作目标点云分布的连续性.该方法主要可分为两步：1.基于全局约束的自适应八叉树三维空间分解，2.基于全局约束的层次聚类.第一步的主要目的是为了降低算法的复杂度，第二步则将分布不均匀的点集转化为均匀分布的状态.本文在三个非合作目标模型上进行了实验.实验的可视化结果与定量计算结果均验证了该方法的有效性.     

用于可重构地面移动机器人的主动球铰

针对目前可重构移动机器人的姿态调整结构在工作空间和输出力矩等方面的不足,提出了一种三自由度主动球铰,它综合了并联机构和串联机构的优点,在满足可重构地面移动机器人结构尺寸要求的前提下能提供较大的输出力矩和较大的工作空间(并联结构部分可提供17.3N·m的力矩及±40°的俯仰/偏航角度,串联结构部分可提供4.5N·m的翻转力矩和360°的翻转角度).该结构可以丰富机器人的结构形式,增强机器人对环境的适应能力.首先讨论了这种球铰的运动学特性、工作空间,然后在可重构移动机器人——JL-I上测试了驱动力矩,验证了结构的性能.