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。      

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.     

可变直径轮月球探测车运动学建模与分析

针对月球探测的特殊要求,设计了具有滚动扭转转向特性的四轮直径可变月球探测车.通过对可变直径轮的原理进行分析,推导出车轮等效半径的公式.根据该月球探测车的结构特点,以闭链坐标变换和瞬时重合坐标法为基本工具,推导了四轮可变直径轮月球车基于三维地形环境的正、逆运动学模型,分析了相关的运动学特征,提出了运动学逆解的理论解法和实用解法.实用解法有效地降低了计算量.并提出了用车轮等效半径调整探测车辆俯仰角度的方法,提高了月球车的稳定性和通过性能.该研究结果为四轮月球探测车的结构分析与运动控制提供了有力的基础.      

具有变胞功能的自主移动制孔机构

根据飞机自动化装配的应用需求,结合变胞原理提出了一种双偏心变胞源机构.在此基础上设计了一种具有变胞功能的自主移动制孔机构,能实现行走和调姿制孔两种功能阶段之间的变自由度切换.给出了调姿过程由初始状态经俯仰与侧滚后到达期望法矢位置各足驱动量的运动学反解算法,可用于实时控制.运用Matlab绘出了实际工况下反解算法中各足偏移量区域,完成了双偏心变胞源机构的尺寸设计.建立虚拟样机,联合算例进行运动学仿真,结果验证了运动学算法和双偏心变胞源机构适用于本机构.研制了实物样机,测试了系统的调姿精度,结果表明可满足飞机装配自动化制孔的要求.      

月球探测车转向系统动力学建模与分析

月球探测车在月球表面松软土壤上的转向动力学特性比较复杂。文章在已有的车辆地面力学成果的基础上 ,研究了探测车在松软的月球表面土壤上的转向动力学问题。给出了六轮月球探测车的四轮转向运动学计算公式 ,推导了探测车在松软土壤上的四轮转向动力学模型 ,提出了合理的简化方法 ,并对稳态特性进行了相应的分析。所得到的结果为探测车转向系统设计及控制算法研究提供了依据     

舵叶固定式液压球形关节运动学及性能分析

针对球面运动机构驱动方式问题,提出了一种新型的二自由度液压驱动球面运动关节机构,该机构利用超全周转动马达及舵叶摆动马达作为驱动,采用了滑轨支撑框架位置测量系统,可以实现超全周转动;给出了两驱动马达各自的油路设计方案,在机构的不同部位采取了合理的密封方法;由机构的工作原理推导了正逆运动学方程及速度雅可比矩阵,得出了机构的奇异位形;分析了机构的灵巧度性能指标,通过仿真得到了机构性能较优时的工作空间.该球形关节机构具有结构紧凑、运动精度高、负载大、并且能够实现全方位输出的特点.     

一种用于移动机器人的多段变形轮

变形车轮是提升轮式移动机器人在严苛地形越障能力的有效方案。然而传统单构型变形轮仅能适应特定路面环境,不能同时满足多种路面环境。利用一种平面多边形机构,将已有研究的轮式、扩展式和轮腿式构型相结合,提出了4种多段变形轮机构。同时,比较各构型的优缺点并针对较优方案进行杆长优化,提出相应的设计方法。根据不同路面情况,通过轮形间的有效切换,使得轮式移动机构在越障能力得到提升的同时,还能保证机构对不同种类地形的适应能力,达到提升机构通用性的目的。      

一种腿臂融合四足机器人设计与分析

设计了一种腿臂融合的四足机器人,其具有腿臂功能复用的分支,不仅可以实现行走,还可以进行操作。对该机器人的行走模式和操作模式进行了研究,首先,建立了机器人单腿运动学模型,推导出机身整体的逆运动学;其次,对腿臂功能复用分支的5自由度操作臂模型进行了运动学分析,提出了欠自由度操作臂保证末端位置和末端姿态2种情况下的逆运动学最优求解方法,并分别给出了位置或姿态偏差;然后,建立了支撑面、支撑腿、本体、操作臂所组成的串并混联机构的运动学模型,利用本体位移补偿操作臂末端位置偏差,从而实现操作臂末端精确操作;最后,对机器人本体、操作臂以及串并混联机构的工作空间进行了仿真,并利用实验验证了该机器人腿行走和臂操作的功能。     

腿臂融合型在轨装配机器人运动建模与步态规划

针对目前机器人在轨装配存在的作业效率低、空间操作受限、环境感知不完全等问题，提出一种腿臂融合型在轨装配机器人。首先，使用D-H法建立了腿臂融合型装配机器人运动学模型，并对其单个腿部进行正逆运动学分析，得到单个腿各个关节角和足端之间的运动关系；其次，分析了腿臂融合型装配机器人的行走步态和装配步态，行走步态中分析了二步态和三步态，装配步态中分析了单臂装配和双臂装配，使机器人达到平稳的行走和装配；最后，基于ROS(robot operating system)搭建仿真平台并对行走步态进行了仿真验证，结果表明提出的方法能够有效用于该机器人的行走。     

空间对接机构差动式缓冲系统运动特性分析

在分析异体同构周边式对接机构差动式缓冲系统传动、缓冲原理的基础上,利用高性能的图形工作站(SGI),以动力学仿真软件ADAMS为平台,建立了对接机构缓冲系统实时可视化数字样机模型,进行运动学仿真,分析机构的运动特性,给出仿真结果.     

基于运动灵活性的蟑螂机器人机构参数优化

从仿生蟑螂机器人机构特点出发,基于运动灵活性,选择椭圆形身体布局,分别以单腿工作空间和整机雅克比矩阵的条件数倒数作为灵巧度指标,在兼顾运动灵活性和可靠性的基础上,对机器人机构参数进行优化配置,选择了最优的杆长比例.利用分析得出的优化尺寸建立ADAMS参数化仿真模型进行实验研究,仿真结果与理论分析相吻合,验证了优化配置的可行性和正确性,为样机的研制和机器人的驱动及控制等进一步研究奠定了基础,也为其他六足机器人的开发提供了参考.     

面向复杂曲面的爬壁机器人机构及运动学分析

针对表面附有轨道的复杂曲面,提出了一种能够沿轨道移动的爬壁机器人机构.由于环境约束的复杂性,提出了功能分离的模块化机构设计思想,将机器人的功能划分为攀爬及姿态调整和沿轨道移动两种功能,并相应地设计了两套运动机构.四足爬行机构实现机器人的攀爬及姿态调整功能;轮轨机构完成沿轨道快速移动功能.对抓持与姿态调整运动进行了详细分析,并以球形曲面为例,得出相关关节控制变量的解析表达式.定性地分析了机构在其它曲面下,相关关节的变化形式.理论分析及设计实例表明机构对布有轨道的复杂曲面具有较好的适应性.     

四足步行机的对角小跑步态及能耗仿真分析

步行机需自身携带能量如电池实现步行及探测任务,研究其能量消耗有重要的意义.步行机的行走步态与能量消耗密切相关,采用对角小跑步态,分析能量消耗与相关影响参数间的关系.介绍了四足步行机的对角小跑步态及多链串并联复合机构的特点,建立步行机的运动学方程及拉格朗日动力学方程.采用虚拟样机技术建立系统的考虑足与地面接触的三维仿真模型,进行完整对角小跑步态周期中的能量消耗分析,获得步行机的动态特性.以移动能耗率为评价指标,分别仿真分析3种步距及3种接触材料的能量消耗,研究步距、接触刚度和摩擦系数对步行机能量消耗的影响,建立移动能耗率与步行机步行速度间的关系曲线,为物理样机的设计提供依据.      

翅膀对仿蝗虫机器人空中姿态影响分析

为验证蝗虫通过翅膀不对称运动进行空中姿态调整机理,设计了仿蝗虫空中姿态调整机器人系统,通过曲柄摇杆机构实现翅膀拍动。分析了机构特性,建立了翅膀拍动模型,计算了不同拍动频率、不同拍动幅值下翅膀受力及力矩情况,分析了左右翅膀同步拍动与异步拍动时对机体产生的影响。最后,搭建了实验验证平台,实验结果表明,左右翅膀的同步拍动不会引起机体姿态较大变动,而两侧翅膀拍动相位的不同将引起机体来回摆动,拍动幅值的不同将引起机体的滚转运动,且拍动频率越高,机体滚转越明显。证明了蝗虫利用翅膀不同步运动进行空中姿态调整机理的正确性,也为仿蝗虫机器人空中姿态调整设计提供了依据。      

SPC-II机器鱼平台及其自主航行实验

SPC-II型仿生机器鱼是利用尾鳍推进机理,实现机器鱼稳定、高速游动和验证机动性的一个实验平台.SPC-II不模仿某种特定鱼类的外形,而是把游动稳定性作为仿生水下航行器设计首要考虑的因素,有效克服艏摇的鱼体,使得尾鳍推进器的运动不受到干扰,同时也降低航行阻力.SPC-II长度约1.2?m,采用完全刚体耐压舱,内部安装了电池、GPS(Global Position System)和罗盘组合导航系统、2关节伺服电机推进系统,能在深度5?m内进行定深的自主航行,速度达到了2.8?kn,功耗小于250?W.对直线航行速度,转弯机动性进行了测试,并进行了长距离风浪条件下的海试.与国内外相关实验平台进行了对比,在外形、航行速度方面展现出优越性.     

矫形外科机器人技术及应用研究

从矫形外科临床手术的角度,讨论了矫形外科机器人技术及矫形外科机器人辅助手术系统的结构组成.结合矫形外科手术的临床特点和矫形外科机器人的功能,将矫形外科机器人系统的结构分成五个部分:计算机控制、机械本体、传感器、视觉、操作系统.并通过对矫形外科机器人系统这几个部分的阐述,分析了矫形外科机器人系统各组成部分在临床手术过程中的功能及应用特点,从机器人的本体设计、空间布局、控制系统结构、操作方式等方面,提出了矫形外科机器人临床应用过程中的安全策略.在总结矫形外科机器人的临床应用特点的基础上,探讨了矫形外科机器人的研究热点和应用前景,为矫形外科机器人的设计提供方法和设计依据.     

探月足式飞跃机器人设计与控制

外星探测器依赖于探测装备完成探测任务，国际上常采用着陆器和巡视器设计外星探测器。外星探测器重量直接影响着探测成本，如果能把着陆器和巡视器融为一体，设计出可在月面反复着陆和行走的飞跃器，则能显著降低外星探测器的重量，大幅减少外星探测的成本。由于人类还没有实现利用腿式机器人探测月球，腿式月球探测飞跃器的开发可体现我国航天领域自主创新能力。依托北京空间飞行器总体设计部（航天五院总体部）与上海交通大学的合作项目“反复着陆器设计”，开展了月面低空飞跃着陆行走四足和六足飞跃探测器初探。飞跃探测器方案采用并联式主动腿式机构，具有在多种复杂地形上主动缓冲着陆和行走的适应能力；设计并采用了一种新型高功率密度力控驱动单元；进行了飞跃探测器的结构优化设计，实现了轻量化；针对着陆和行走过程中的控制问题，提出了主被动复合缓冲设计思路和控制方法，实现了飞跃器着陆过程的缓冲和身体稳定性，具备多次缓冲、自主移动、可收拢展开、着陆姿态调整、复杂地形适应等多种功能。