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.     

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.     

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.     

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.      

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Dijkstra算法的平滑路径规划方法

移动机器人在复杂环境下沿Dijkstra算法规划的路径运动时,由于所规划的路径存在转折点多、部分转折角度小等问题,导致移动机器人不得不频繁转向,甚至要暂停才能完成转向,严重影响机器人的工作效率。利用几何拓扑学方法,结合实际场景信息,提出一种基于Dijkstra算法的平滑路径规划方法。根据应用场景获取连续化地图,将连续化地图离散化后随机生成离散点阵,计算各点之间的欧氏距离,选取与各离散点距离较近、且连线不跨越障碍的多个点,将其连接并生成离散图。在离散图中利用Dijkstra算法搜索最优路径作为引导路径。当移动机器人沿引导路径运动时,结合实际场景信息,采用几何拓扑学计算出移动机器人每一时刻应该采取的最佳动作和运行路线。实验结果表明：所提方法能够有效减少移动机器人运动中的累计转弯角度,增大最小平均转折角度,提高所规划路径的平滑度,从而缩短移动机器人的运动时间,提升机器人的工作效率。     

倒锥面高层玻璃幕墙清洗机器人设计

为满足倒锥面高层玻璃幕墙清洗机器人对小质量、高可靠性、高安全性的要求,提出了运动驱动分散配置、主运动与辅助运动一体化、主运动柔性驱动的机器人结构设计原则;针对具体建筑结构设计了完备的清洗机器人系统,讨论了机器人对作业对象遍历运动和吸附、清洗功能的实现方法;分析了机器人系统对建筑结构误差的适应能力,证明了柔性驱动结构的可行性.在上述基础上开发了倒锥面高层玻璃幕墙清洗机器人系统,并进行了现场试验,证明了系统的实用性和可靠性.该系统已成功应用于机场指挥塔幕墙的清洗作业.      

轮式移动机器人运动学逆问题及机体稳定性

移动式机器人可以认为是操作机器人和步行机的组合,它具有更灵活和更大的工作空间.因此移动式机器人适合用于远程操作,无论是在太空还是地面,最通用的移动式机器人是轮式移动式机器人.轮子导致了非完整约束.在本文中,这种非完整约束以及有关的运动几何学得到了分析,在此基础上建立了轮式移动机器人运动学逆问题的两种求解公式.其次,提出了一种控制自运动的方法以解决活动平台的稳定性问题.这种方法通过仿真验证了其正确性.     

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.     

空间四面体翻滚机器人运动学分析及仿真实验

对四面体及多面体机器人的研究现状进行了分析.介绍了空间四面体翻滚机器人的结构,由6根伸缩臂和4个顶部节点平台组成,通过伸缩臂的运动可以使四面体的重心失稳,实现翻滚运动.结合四面体翻滚机器人的运动形式,给出了翻滚的临界条件,根据不同的运动阶段对四面体翻滚机器人进行了运动学分析.利用Adams虚拟样机技术对四面体翻滚机器人进行了运动学仿真,并进行了样机的实验,验证了方法的正确性.该分析结果可进一步用于空间四面体翻滚机器人的动力学分析和优化设计.     

基于变胞原理的一种探测车机构设计与分析

提出了一种具有特殊结构的六杆球面变胞机构,并对该机构进行了构态变化分析,给出了在不同构态时机构的邻接矩阵.依据机构在不同构态时的特殊性质,将该球面变胞机构应用于变结构腿轮式探测车车身的设计.通过车身机构的自我重构以及腿式和轮式结构的变换,使这种探测车能更好地适应星球等复杂环境的探测.对此新型变结构机器人的结构进行了详细的描述,并对机构的自由度进行了分析,同时给出了探测车的典型变形构态.      

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.      

基于混合整数线性规划的爬壁机器人路径规划

为研究City-Climber爬壁机器人在3D建筑物环境中的路径规划问题,基于混合整数线性规划(MILP, Mixed Integer Linear Programming),提出了一种适用于City-Climber的路径规划方法.为了用MILP方法解决避障问题,首先用限制机器人控制输入的方法对City-Climber的数学模型进行解耦和线性化,再介绍了用MILP方法对控制输入进行描述的数学表达式,并提出了适用于爬壁机器人的新型代价函数,最后以一个方形房间为运动环境,用AMPL和CPLEX优化软件,以及Matlab软件解算路径规划问题.仿真结果表明:MILP方法较好地解决了City-Climber在3D环境下的路径规划和避障问题.     

移动机器人自主动态避障方法

针对基于水流场的全向移动机器人动态避障过程中可能出现的避障失效和避障路径过长问题, 提出了一种基于速度斥力场改进人工势场方法的全向移动机器人自主动态避障方法。详细分析基于水流场改进的人工势场法在动态避障过程中存在的移动机器人从障碍物前方绕过而引起的避障路径过长或避障失效问题;在基于水流场的人工势场避障方法中, 根据移动机器人和动态障碍物的相对速度, 引入速度斥力场, 使得移动机器人从动态障碍物的后方通过, 实现全向移动机器人的安全自主动态避障。通过仿真和室内避障实验, 验证了所提自主动态避障方法的有效性和实用性。      

未知环境下移动机器人单目视觉导航算法

提出了一种未知环境下移动机器人单目视觉导航算法,算法包括障碍物检测、单目视觉测距和局部路径规划3部分.为减小光照等环境因素对基于特征的障碍物检测的影响,对彩色图像在HSI颜色空间中用基于像素的直方图比较进行分割,获取障碍物轮廓序列的图像坐标点集.在单目视觉测距中,通过几何关系推导法建立图像坐标系和机器人坐标系间的变换关系,进而实现由障碍物图像位置计算其与机器人间的实际距离.局部路径规划对摄像机梯形视场区域转换后的矩形区域建立模型划分栅格,由障碍物轮廓序列图像坐标和单目视觉测距计算构建障碍物栅格图,并用提出的栅格搜索算法搜索障碍物栅格图,得到机器人安全行驶路径.实际环境中进行的实验结果表明,算法能有效减小反光、阴影等的影响,在未知环境中正确规划出机器人局部可行路径实现导航.      

全向移动机器人动态避障方法

动态避障是全向移动机器人在复杂工作环境下不可或缺的能力。针对在复杂动态环境下传统人工势场法容易陷入局部极小点、目标点不可达和振荡等问题,提出了利用水流场的思想重新定义人工势场的斥力势场函数及其方向,改进方法在不增加计算量的情况下能够使机器人平滑且安全无碰撞到达目标点,实现避障过程。为了实现三维动态仿真,提出了一种基于V-REP与MATLAB的联合仿真方法,并结合改进人工势场法实现全向移动机器人的动态避障模拟,验证了方法的平滑性和可行性。将所提方法应用于实验室内真实场景,全向移动机器人成功实现了动态规避动作,验证了方法的实用性。