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.     

一种球形移动机器人的运动性能分析

球形移动机器人的特殊结构使之非常适合在缺少人为干预的恶劣环境(如外星球、野外等)中应用,在此类的环境中,机器人的运动性能是决定机器人能否顺利完成预定任务的关键.介绍了BHQ-1G型球形移动机器人的结构,采用几何法和拉格朗日方程建立了该球形移动机器人的模型,并对它的直线运动、爬坡能力、越障、转弯半径等运动性能进行了具体的分析,证明了该设计的可行性并确定了影响该机器人运动性能的参数.该分析结果可用于BHQ-1G机器人的优化设计和样机研制.     

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。      

新型缓冲腿结构设计及性能分析

腿部结构是实现仿生蝗虫跳跃机器人良好缓冲性能的重要组成部分,因此对其进行结构设计及分析具有重要的意义。为实现更好的着陆缓冲性能,基于蝗虫腿部生理结构和现有仿生串联腿的结构形式,设计了一种新型的用于跳跃机器人的缓冲腿。在对缓冲腿的力学性能进行分析的基础上,根据缓冲性能评价原则,对结构参数进行了分析及优化,并对同时处于最优状态下的新型缓冲腿和原有仿生串联缓冲腿的缓冲性能进行分析比较。相对于原有仿生串联缓冲腿,改进后的新型缓冲腿受到地面作用力的幅值减小了25.3%,储能能力提高了34.6%。这为仿生蝗虫跳跃机器人及其他着陆机构的研制提供了依据。      

行星轮式月球车的越障能力分析

为确定行星轮式月球车的垂直越障能力,通过简化力学模型,给出了两个前轮同时越障、两个后轮同时越障和单个车轮越障这3种情况下行星车轮可以爬过的垂直障碍高度与车辆参数之间的关系,同时给出该车可以越过的最大垂直障碍高度.并且用ADAMS软件对这3种情况进行了仿真分析.仿真分析表明,理论推导结果是可靠的.      

驾驶机器人机械腿动力学建模与仿真分析

为提高驾驶机器人的设计效率,对机器人的机械腿进行了动力学分析与建模,并建立了机器人驾驶车辆的联合仿真模型。机械腿动力学模型由机械结构和伺服电机两部分组成,其仿真模型由ADAMS和MATLAB/Simulink软件共同建立,在此基础上引入CarSim软件建立车辆模型,并以Simulink为平台建立了基于闭环速度控制的“驾驶机器人-车辆”联合仿真模型。仿真结果表明,驾驶机器人机械腿的动力学模型具有良好的动态响应特性,且所搭建的联合仿真模型能够完成基本的车速跟踪仿真实验,为下一步改进驾驶机器人的机械结构及控制策略提供了虚拟样机模型。      

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.      

燃气动力弹跳机器人在不同地面弹跳能力

燃气动力弹跳机器人具有很强的越障能力,但不同特性地面对其弹跳性能影响较大。针对上述问题,对燃气动力弹跳机器人起跳过程的动力学模型进行理论与试验分析。首先建立了机器人起跳动力学模型,利用Hunt-Crossley模型对机器人脚与地面的作用力进行分析;然后构建试验平台,对模拟硬黏土、草地进行静态、动态力学特性测试,得到相应的力学参数;最后对弹跳机构在刚性地面、模拟硬黏土和模拟草地分别进行弹跳分析与试验。在一定充气压力条件下(丙烷0.01 MPa、一氧化二氮0.21 MPa)燃烧室内燃后压力基本相同(最大压力约3.1 MPa),而弹跳机构(总重为3.55 kg)在刚性地面和硬黏土地面的弹跳高度分别为2.0 m和1.4 m,在草地地面相对充气压力为0 MPa条件下,其弹跳高度为0.1 m。结果表明,机器人在松软的地面较刚性地面弹跳高度较低,且模拟3种地面的弹跳试验结果与分析结果较为吻合。      

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.     

仿生爬壁蠕虫运动步态控制算法

设计了一种基于仿生原理的爬壁蠕虫机器人,分析了这种机器人的结构,并利用仿生学原理设计了基于三角波和梯形波特点的两种运动步态.在分析现有神经中枢控制CPG(Central Pattern Generator)算法基础上,应用循环抑制CPG模型和相互抑制CPG模型,构建了爬壁蠕虫机器人的三角波步态CPG控制网络和梯形波步态CPG控制网络,并结合吸盘状态,加入反馈信号,实现了带有反馈的CPG控制算法.利用爬壁蠕虫机器人模型,仿真验证了这种控制算法对蠕动运动步态控制的有效性,通过在爬壁蠕虫机器人原理样机上的步态实验,证明了该算法的可行性.     

深空探测车可变直径车轮牵引通过性分析

提出了一种可变直径轮深空探测车,其具有结构紧凑、越障能力强、重心低、运行平稳等优点.考虑了月球重力环境和月壤的力学特性,应用基于贝克模型的地面力学理论,分析了深空探测车可变直径车轮与月壤间的相互作用,对轮片展开和车轮下陷做了合理的简化,对不同滑转条件下探测车轮的挂钩牵引力、驱动力矩和驱动效率进行了计算,结果表明车轮的展开减小了推土阻力,车轮的挂钩牵引力和驱动效率都比车轮收缩状态有了明显的提高,并获得了使驱动效率达到最大值的滑转率的范围.      

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.      

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.      

一种新型轮爪式车轮设计与性能仿真

针对当前行星探测车车轮的缺点和不足,结合行星表面的复杂环境,设计了一种新型轮爪式行星探测车车轮,其主要创新点在于车轮的轮爪.对新型车轮进行了受力分析,推导出车轮平稳运动的条件,为设计者提供了一定的理论依据.用Pro/ENGINEER软件建立了探测车的三维模型,并用ADAMS(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems)软件对行星车进行了运动学和动力学仿真.仿真结果表明新型车轮具有较强的越障能力,可以翻越高度超过车轮半径1.4倍的台阶,也可以跨越宽度超过车轮直径的壕沟,能够适应各种地形环境,基本克服了当前行星探测车车轮存在的缺点和不足.