六支链轮腿式月面机器人机构优化设计

针对六支链轮腿式月面机器人构型尺寸综合及可调构型参数与运动性能适配的问题,以机器人爬坡作为典型工况,在ADAMS中建立了六支链轮腿机构参数化优化设计模型,分析了轮腿尺寸参数、腿部关节角与爬坡驱动力的关系,以爬坡中车轮驱动力最小为优化目标,计算得出了较优的机构尺寸及关节角参数。可为六支链轮腿式月面机器人移动机构的设计提供方法及依据。     

月面服务机器人研究进展及发展设想

针对我国后续无人月球探测和载人月球探测中巡视勘察、资源利用、设施建造等任务对多功能巡视作业功能的月面服务机器人的迫切需求,综述了国内外轮腿式、可重构、仿生、翻滚式、弹跳式等新概念月面机器人的研究进展;结合无人月球探测及有人月球探测的任务,分析了月面活动对机器人高效移动、载荷操作、月面组装等需求;在此基础上,提出了月面服务机器人向轮腿式、可重构、多机协同、人机协作等方面发展的设想。可为我国后续无人月球探测和载人月球探测提供参考和借鉴。     

一种星球探测六足轮腿机器人的设计与运动规划

针对星球探测,设计了一种具有高度对称性的六足轮腿机器人。为适应星球表面的复杂环境,该机器人具有不仅在机身水平面内中心对称而且关于机身水平面对称的结构,同时能够通过腿部构型的变化实现两种运动方式：轮行模式和足行模式。机器人的膝关节采用双平行四边形的传动机构,克服了现有足式机器人膝关节平行四边形机构传动的奇异问题,增加了膝关节的转动范围,实现了单腿关于机身水平面的对称运动。设计了一种基于指数坐标在SE （3）空间上规划的自适应步态,机器人可以利用该自适应步态在没有视觉传感器和局部地图的条件下,仅依靠足底力传感器和机身的惯性测量单元,实现自主连续稳定的行走。利用该机器人结构的高度对称性,提出了一种倾倒恢复策略以适应星球探测过程中的需求。以Adams和MATLAB为虚拟的仿真环境,对六足轮腿机器人的运动模式切换、自适应步态及倾倒恢复进行了仿真,验证了可行性。     

障碍地形下的机器人轮足复合越障步态规划方法

为提高轮足复合机器人在障碍地形下的稳定性与通行效率,提出了一种轮足复合越障步态规划方法。首先基于轮足复合运动模式提出了一种机器人位姿调整算法,并给出了相应的足端轨迹方程与重心轨迹方程。其次基于轮足复合运动的运动学方程,给出了位姿调整阶段的轮速规划算法,使得每条腿足端轮子的滚动速度与足端的轨迹相匹配,以确保轮子在地面滚动时不发生滑动。虚拟样机仿真结果表明,应用该步态规划算法,机器人能够自主平稳地穿越障碍地形,从而验证了方法的有效性。     

多链可重构模块化机器人的构型转换

可变形指尖陀螺是一种流行的玩具,其多链、可变形的优点为空间机器人提供了一种方案。以此玩具为启发,结合链型机器人灵活多变的特点,引入了多链可重构模块化机器人。以构型分析及构型转换策略为重点对多链可重构模块化机器人的拓扑构型展开研究,使其改变拓扑构型来适应不同任务。首先,结合整数拆分及排列组合,建立了适用于正六边形基座的模块化机器人基本非同构构型库,提出了一种非同构构型枚举算法,该算法表明非同构构型数随模块数的增加呈指数型增长;其次,以构型转换为核心,定义了基于结构特征的等价关系库,设计了一种构型匹配的重构策略来完成构型间的最优匹配与转换;最后,通过演示与仿真,验证了重构策略的有效性。     

轮腿式可移动载人月面着陆器概念设想

为提高月面探测的机动范围和探测能力,提出了一种新型轮腿式可移动载人月面着陆器方案设想,综合载人月面着陆器和月球车的能力,具备轮式高速移动和腿式高效避障的优点,支持月面着陆和起飞任务的执行,支持较大范围的机动作业,支持月球基地构建和运营,满足载人登月以及月球基地任务的应用需求;提出了轮腿式可移动载人月面着陆器所涉及的关键技术,可作为后续开展深入研究的参考。     

一种多旋翼多功能空中机器人及其腿式壁面行走运动规划

 提出了一种既可实现飞行功能又可实现壁面运动的多旋翼多功能空中机器人。设计了机器人的结构,分析了其工作原理,研究了机器人腿式壁面行走模式下腿/足与壁面接触时的机体动力学。结合多旋翼推进的机理对机器人在壁面运动模式下的步态进行了规划,基于非线性轨迹线性化控制(TLC)法设计了空中机器人在步态过程中的姿态稳定控制器。在MATLAB环境下对机器人的腿式壁面运动进行了仿真分析研究,仿真结果表明了所设计的步态及其稳定控制方法的可行性。     

并联五连杆点足式双足机器人稳定行走控制方法

针对高载荷点足式移动机器人在肢体惯量大、足端冲击强等挑战下面临的平衡步态控制难题,提出了一种并联五连杆双足结构机器人方案,并设计了稳定行走控制方法。首先,建立了五连杆结构模型,并进行了正逆运动学分析。其次,基于倒立摆(LIP)模型生成的质心轨迹与贝塞尔插值生成的足端轨迹对该机器人进行平衡行走控制,主要思路为：在单腿支撑阶段采用PD反馈控制对机器人质心轨迹进行跟踪,并且根据实时反馈的自身状态计算稳定落脚点位置,实现闭环控制。最后,结合实物模型构建了Matlab仿真实验,结果表明：行走过程中质心和关节角度状态可形成趋于稳定的极限环,该控制算法能够实现双足机器人二维空间内行走。     

参数不确定机器人关节特征建模与自适应控制研究

针对参数不确定的足式机器人关节控制问题,建立了足式机器人单腿动力学模型,分析了其多输入多输出、时变、耦合和非线性等特性,建立了一种具有输入解耦形式的多输入输出特征模型;然后基于此模型给出了全系数自适应控制方法;最后利用虚拟样机技术对足式机器人多种工况进行仿真。仿真结果验证了建模和控制方法的有效性。     

直升机腿式起落架机构动力学研究

多用途、智能化和强地形适应性是未来直升机发展的重要趋势。起落架是保障直升机起降安全的关键部件,由于传统起落架地形适应能力较差,针对直升机在复杂地形环境下如何实现平稳着陆的难题,利用仿生学设计理念设计一种腿式起落架系统。首先从腿式起落架设计需求出发,对起落架构型进行分析并完成腿部结构设计;然后基于设计的腿部机构,完成其运动学分析和动力学分析,建立相应模型,以此作为腿式起落架运动控制的基础。最后在实验室完成腿式起落架的运动测试,证明了结构设计的合理性和控制算法的准确性。     

面向空间非合作航天器的空间爬壁机器人方案

针对空间非合作目标追踪附着任务的隐蔽性、无统一接口和低冲击着陆等特点,提出了一种基于粘附机理的微小型空间爬壁机器人的方案。考虑空间环境特性、附着目标表面特征等因素,确定了仿昆虫多足弹性多腿结合仿壁虎脚底刚毛干性粘合剂的总体构型,完成了足底刚毛结构微阵列参数的设计与刻蚀,设计了缓冲吸能部件,规划了步行和翻转的两种步态。原理样机验证表明方案可行,可为后续在轨非合作接近任务中微小型机器人的行为规划提供理论支持。     

轮腿式火星探测机器人的多目标协同控制

火星探测任务要求机器人具有对未知的不规则地形的自适应能力和动态稳定性。针对轮腿式火星探测机器人,提出了基于运动学反解模型、车体姿态和轮壤接触力的多目标协同控制策略。通过车体姿态调整运动学建模、一阶低通滤波及腿部阻抗控制算法和基于腿部运动危险系数的重心高度调整算法,实现了车体姿态的跟踪控制、轮壤恒力接触控制和重心最优高度控制,提升了轮腿机器人在非结构地形中的自适应能力、运动稳定性及腿部运动空间的安全性。在MATLAB和UG中建立联合仿真模型,验证了控制策略的有效性。     

模块化可重构无人机机翼结构优化方法研究

模块化可重构无人机设计工况复杂、约束多样,需要根据不同设计思想的特点研究适用的优化方法才能得到最优方案。本文开展针对多模型的同步优化方法研究,给出不同构型机翼翼根弯矩约束方法,提出多构型机翼结构前后梁弯矩比例约束下的同步优化技术,并以某模块化可重构无人机机翼为对象进行应用验证。结果表明：与文献中模块化机翼优化结果相比,本文多构型机翼结构同步优化方法在解决整机翼更换的模块化可重构机翼结构优化问题时具有很高的适用性和收敛性,以及广阔的工程推广价值。     

着陆工况对月球着陆器着陆缓冲性能影响分析

复杂的着陆工况对月球着陆器缓冲机构的工作可靠度影响很大。基于典型的四腿式月球着陆器建立月面着陆过程动力学仿真模型,构造了二阶响应面等效分析模型进行敏感度分析,分析了着陆工况各组成因子对着陆器缓冲机构缓冲性能的影响,发现对缓冲性能影响显著的工况因子有足垫与月面摩擦系数、竖直速度、沿z轴方向水平速度、等效月面坡度及绕y轴转角。通过蒙特卡洛模拟研究了工况因子取值对缓冲性能的影响,并通过贝叶斯公式计算了可控着陆工况因子不同取值时的缓冲可靠度。研究发现,采用光滑足垫及降低关闭发动机时着陆器距月面的高度可以提高着陆器的着陆缓冲可靠度。     

一类基于四面体组合单元的模块化构架式可展开天线机构

针对现有基于四面体单元的构架式天线机构结构复杂、收拢率低、运动副数量多等问题，基于3RR-3RRR四面体组合单元和基于3RR-3URU四面体对称组合单元分别提出了两种新型模块化可展结构。以3个组合单元组成的模块化结构为分析对象，首先，详细介绍了模块化结构的组成及虎克铰轴线布置，并利用组合单元本身的自由度数目及性质，采用拆杆-等效-复原的思想，应用螺旋理论和G-K公式分别对提出的两种模块化结构进行了自由度分析，得到了自由度数目及性质。其次，应用Adams动力学仿真软件对两种模块化结构进行运动仿真，仿真结果验证了自由度分析的正确性。以完全展开和完全收拢时机构所占的空间体积比值表征该机构的收拢率，计算现有基于四面体单元的非模块化机构与提出的模块化机构的收拢率。最后，对比分析非模块化机构与模块化机构的自由度数目、运动副数目及收拢率。分析结果表明，基于3RR-3URU四面体对称组合单元的模块化结构既能实现较大收拢率，自由度及运动副数目也相对减少，且组成大型天线时杆件类型较少。研究结果为该类模块化构架式可展天线结构的设计与分析提供一定理论依据。     

月面低空飞行器着陆缓冲机构设计与仿真分析

针对月面低空飞行器要求兼顾着陆和越障缓冲的需求,将月球车轮式移动机构与磁流变缓冲器结合,设计了一种可重复使用的新型着陆缓冲机构。建立了飞行器整机动力学仿真模型,对月面着陆及不同越障工况下的移动探测进行了仿真分析,验证了该缓冲机构的着陆缓冲和平稳移动探测的性能。分析结果表明,该着陆缓冲机构能保证月面低空飞行器在月面安全着陆以及平稳移动探测,可为相关设计提供参考。     

空间机器人研究进展及技术挑战

空间机器人是实现空间操控自动化和智能化的使能手段之一,在无人及载人的空间科学探索活动中至关重要。首先,回顾了国际空间站舱内外机器人、中国空间站机器人、在轨自由飞行空间机器人等几类轨道空间机器人工程应用现状,以及已成功在轨应用月面机器人和火星机器人两类星表机器人系统的应用现状。其次,针对空间机器人后续日益复杂的任务需求,探讨了空间机器人在机构构型、关节驱动、末端操作、感知认知、行走移动、动力学与控制等方面面临的技术挑战。然后,论述了空间机器人在多臂、超冗余、柔性化、可重构、仿生等新型机构构型方面的探索,介绍了空间机器人主动、被动柔顺关节方面的研究进展,论述了空间机器人末端执行器在专用化工具及通用化多指灵巧手两个方向的研究进展,总结了星表机器人在新型移动机构构型、高自主导航方面的研究进展,介绍了空间机器人在多传感器集成融合、力与触觉感知方面的研究进展,论述了空间机器人在多臂协调控制、柔顺控制、漂浮基座抓捕动力学控制等方面的研究进展。最后,展望了空间机器人在空间目标抓捕与移除、高价值飞行器在轨服务与维修、空间大型构件在轨组装及星球科学探测等方面的应用前景。     

基于模块的民机全面构型管理研究及应用

将基于模块的构型管理方法应用到民机研制过程之中,在型号研制初期综合考虑需求、设计、制造、客户服务、保障、试飞和适航等各方面的要求,按照模块化思想并规划模块和产品结构,提高了模块的可重用性;通过飞机特定构型表记录构型配置信息,实现工程研制和构型管理的分离,建立面向设计与制造协同的构型管理体系,简化了民机研制中的构型管理,清晰、准确地记录了飞机的构型状态,确保了设计与制造的一致性。     

生产型测量机传动系统的模块化设计

首先运用程序模块化设计的方法,将传动系统设计按照CAD程序设计思路进行模块划分,确定模块内容及层级关系。其次,运用功能模块化设计的方法,按照模块功能独立和结构独立的原则,确定传动系统功能模块。综合两种模块化设计方法,得出PEARL生产型测量机传动系统为二级非悬臂式齿形带传动方式,且两级减速带轮非同侧放置。最后,对PEARL生产型测量机传动系统的设计特点进行了详细论述,证明了模块化设计的有效性和实用性。     

深空探测着陆器数字化设计及着陆性能影响因素

以对称分布四腿悬架式月球着陆器为研究对象,建立了着陆器软着陆过程六自由度动力学模型并改进了月壤摩擦系数模型;在以上动力学模型基础上,以月球着陆器为例编制了着陆器软着陆六自由度动力学分析程序,利用该程序分析了探测器全机月面软着陆性能,重点研究了动力学模型中的月面等效弹性系数、月面摩擦系数和月面倾斜角度等参数对探测器着陆性能的影响。研究表明上述影响因素对着陆器着陆缓冲性能影响显著,通过对以上参数的合理选择可以有效缓解月球探测器月面软着陆的着陆冲击过载。