基于改进蛇形曲线的蛇形机器人在流场中避障的轨迹跟踪控制律

针对蛇形机器人在流场中各关节之间的轨迹跟踪问题,研究一种基于改进蛇形曲线的蛇形机器人在流场中避障的轨迹跟踪控制律.首先,考虑流体环境可能施加在蛇形机器人系统上的外部干扰,采用浸入边界-格子Boltzmann方法(IB-LBM)在流场中建立障碍通道和蛇形机器人的流固耦合模型.然后,对蛇形机器人加入势函数,使其可以避开障碍;并采用改进的蛇形曲线方程使机器人尾部各关节跟踪头部的运动轨迹.最后,通过Matlab仿真和实验,研究不同流场密度、机器人尾部摆动频率以及流场雷诺数等参数对蛇形机器人轨迹跟踪的影响.理论分析和数值仿真表明,所设计的轨迹跟踪控制律不仅可以使蛇形机器人在遇到障碍时各关节跟踪前一关节的运动轨迹,而且还能使横向距离、纵向距离及方向角趋于稳定,达到有效避障的目的.此外,蛇形机器人在离开障碍通道后,各关节可以恢复蛇形曲线的运动形式,为蛇形机器人提供源源不断的前进动力.仿真和实验结果验证了轨迹跟踪控制律的有效性.     

形状记忆合金驱动的蛇形机器人运动仿真研究

基于Serpenoid 曲线建立了蛇形机器人行波运动和攀爬运动的运动学、动力学模型,根据模型提出一种具有万向节功能的pitch-roll 模块,利用形状记忆合金驱动器具有结构小和只受温度变化影响两大特点建立了蛇形机器人关节。应用MSC/ADAMS 虚拟样机软件对基于形状记忆合金驱动蛇形机器人进行行波运动和攀爬运动的动力学分析,并对仿真过程中遇到问题提供了解决办法。模型仿真效果非常理想,完全达到设计要求,为下一步研制物理样机提供了理论指导,也为其他仿生机器人的研究提供了参考。     

基于Webots的蛇形机器人翻滚运动仿真及实现

针对蛇形机器人的侧向翻滚运动,给出一种建立正交关节蛇形机器人三维空间运动模型的方法,提出了一种更为简单的实现蛇形机器人侧向翻滚运动的舵机输入函数.通过选择不同的控制参数,可以实现蛇形机器人"U"字形和"V"字形侧向翻滚运动.在Webots移动机器人仿真软件上进行正交关节蛇形机器人翻滚运动仿真,并在蛇形机器人本体上进行试验,验证了所提控制规律的有效性.     

基于控制函数的蛇形机器人攀爬运动分析

为实现对正交关节蛇形机器人多种运动形式的简单、统一控制,从研究蛇形机器人控制函数出发,提出了一种简单的并可同时实现正交关节蛇形机器人蜿蜒运动、行波运动、侧向翻滚运动和螺旋攀爬运动等多种运动形式的控制函数.对蛇形机器人实现螺旋攀爬运动的控制参数进行了分析,并用粒子群优化算法(PSO)对控制参数进行了优化拟合,给出了控制参...     

一种蛇形管道机器人结构设计及运动分析

为了更好地解决管道堵塞、裂纹等问题,本文基于设计了一种用于管道疏通及管道检测的蛇形管道机器人。在狭小管道中,蛇形管道机器人主要通过蠕动的运动方式前进,本文首先对蛇形管道机器人蠕动的运动方式进行了运动学规划,然后建立出蛇形管道机器人的化简模型,通过Adams软件对其运动和力进行仿真分析,并得出蛇形管道机器人蠕动一个循环前进0.145m,蠕动时关节最大力矩为2.03N·m,验证了结构与电机选型的合理性,还设计了一套基于STM32单片机的控制系统,通过配备的App软件控制其运动以及头部的各个传感器,从而实现机器人的运动、检测、疏通等功能。     

蛇形机器人水下3D运动建模与仿真

由于蛇形机器人具有多关节、超冗余自由度的特点,以及水环境高度复杂非线性化,使得蛇形机器人的水下3维步态难以通过实验进行验证、分析及优化针对这些问题,根据蛇形机器人样机"探查者Ⅲ",搭建了水下运动的仿真分析系统.首先,分析了蛇形机器人水下运动时不同姿态下的水静力,计算了机器人受到的附加质量力和黏滞阻力的线性项和非线性项,并研究了流体力矩对水下运动的影响.然后,基于Morison方程建立了机器人与水交互的力学模型.最后,在仿真分析系统中对逐节下潜步态进行仿真,分析机器人的运动性能,并进行相应的实验.通过前进速度、下潜速度、运动趋势的对比表明:该力学模型能比较准确地模拟机器人与水环境的交互作用,仿真分析系统能用来验证和分析蛇形机器人的水下3维运动步态.     

改进末端跟随运动的超冗余蛇形臂机器人运动学逆解

针对超冗余蛇形臂机器人运动学逆解中计算量大、超关节极限和位形偏移量大的问题,提出了一种改进末端跟随运动的逆解算法．在末端跟随法中引入蛇形臂弯曲角度的约束,调整关节位置的更新方式,使关节在蛇形臂轴线上运动．通过依次更新关节的空间位置,将超冗余多节蛇形臂的运动学逆解转化为2自由度单节蛇形臂的运动学逆解．仿真分析了蛇形臂机器人在基座移动和基座固定条件下的轨迹跟踪效果,对比了同一目标位置下不同方法的性能．结果表明,改进后的算法能保证蛇形臂的弯曲角度不超过给定范围,关节的运动量从末端到基座依次减小,机器人的运动更协调;与基于雅可比矩阵的数值法和现有启发式方法相比,该方法运算量降低,机器人整体位形偏移量减小,能用于蛇形臂机器人的实时控制．     

基于耦合驱动蛇形机器人机构设计与抬起的方法

文中设计了模块化的新型蛇形机器人关节单元．该单元具有三个自由度，其中摆动和俯仰自由度由耦合机构驱动来获得较大的力矩和活动空间．由该单元组成的蛇形机器人具有很强的驱动能力，能够抬起较多的单元．针对蛇形机器人的特点，给出了耦合机构的设计原则．对蛇形机器人抬起方法作了分析，得出采用适当规划方法能够抬起的最大单元数量是直接抬起的最大单元数量的平方关系的结论，并在此基础上分析了最大关节角对机器人抬起的影响，最后结合实例验证了上面分析结果．     

基于能量的蛇形机器人蜿蜒运动控制方法的仿真与实验研究

能量作为最基本的物理量之一, 联系着蛇形机器人蜿蜒运动的各个方面. 能量耗散描述了环境交互作用, 能量转换对应着运动的动力学过程, 能量平衡反映了蜿蜒运动的协调性. 提出一种基于能量的蛇形机器人蜿蜒运动控制方法-被动蜿蜒. 通过输出关节力矩控制机器人蜿蜒运动, 由机器人的能量状态调整力矩的大小. 仿真结果显示了被动蜿蜒控制下机器人的构形、角度、力矩、能量状态和转弯特性, 并对控制力矩进行了递归分析. 基于Optotrak运动测量系统构建了被动蜿蜒控制的模拟/物理混合实验系统. 进行了移动实验和拖动实验, 前者改变环境的摩擦特性,后者改变机器人的负载. 仿真和实验验证了蛇形机器人被动蜿蜒控制的有效性和适应性.     

基于双层级CPG的3维蛇形机器人运动控制方法

为实现3维蛇形机器人多模式运动控制,提出了一种基于双层级中枢模式发生器(CPG)的运动控制方法.该双层级CPG网络包含节律层和模式层,节律层的CPG神经元用于控制3维蛇形机器人的俯仰关节组和偏转关节组的相位关系,模式层的CPG神经元用于控制3维蛇形机器人关节组内各个关节的相位差及关节轨迹.首先,利用Kuramoto振荡器对CPG神经元进行建模,并确定CPG网络的层级结构和耦合拓扑;然后,基于蛇形约束曲线计算3维蛇形机器人侧滚运动、侧移运动、滑行运动及转向运动4种典型运动步态的控制参数;最后,通过联合仿真和实验验证该双层级CPG网络的控制性能.由实验结果可知,3维蛇形机器人的侧滚运动、侧移运动、滑行运动以及转向运动的实际速度分别能够达到3.9 cm/s、9.0 cm/s、2.1 cm/s和10.8°/s.因此,该方法能够有效地、灵活地控制3维蛇形机器人的多模式运动.     

Development of a single-wheeled inverted pendulum robot capable of climbing stairs

ABSTRACT

In this paper, we propose the design of a single-wheeled robot capable of climbing stairs. The robot is equipped with the proposed climbing mechanism, which enables it to climb stairs. The mechanism has an extremely simple structure, comprised of a parallel arm, belt, harmonic drive, and pulley. The proposed climbing mechanism has the advantage of not requiring an additional actuator because it can be driven by using a single actuator that drives the wheel. The robot is equipped with a control moment gyroscope to control the stability in a lateral direction. Experimental results demonstrate that the robot can climb stairs with a riser height of 12–13?cm and a tread depth of 39?cm at an approximate rate of 2 to 3 s for each step.     

侧向推搡下的四足机器人复合抗扰控制策略

针对四足机器人侧向推搡下的平衡恢复问题,提出了一种复合抗扰反应式鲁棒控制策略.该策略由摆动相的自适应侧摆规划策略和支撑相的关节抗扰控制构成.摆动相自适应侧摆规划策略通过四足机器人足端落地点的力平衡条件进行主动式步态规划以保证机器人在侧向推搡下的姿态稳定,并基于关节输出力矩给出了侧摆的启动条件.支撑相关节抗扰控制通过带扰动项的四足机器人完整动力学模型设计了基于干扰观测器的鲁棒滑模控制器,实现对侧向推搡扰动的补偿.最后,通过Matlab与ADAMS联合仿真验证了提出的控制策略的有效性.     

攀爬蛇形机器人爬树的静态机理研究

为了研发一种新型的、在垂直外攀爬方面有较大优势的攀爬蛇形机器人,提出一种具有万向节功能的P-R（pitch roll）模块,该模块结构简单、便于控制.相对于采用传统的平行连接和正交连接的机器人,基于该模块的蛇形机器人能够更为轻松和灵活地附着于攀爬对象外壁.对基于P-R模块的攀爬蛇形机器人爬树的基本姿态进行静态平衡机理分析,得到相关参数的函数关系,为攀爬蛇形机器人样机的研制和攀爬对象的选择提供了理论依据.最后通过实验验证了P-R结构的有效性及相关分析的合理性.     

Dynamic modeling and step-climbing analysis of a two-wheeled stair-climbing inverted pendulum robot

ABSTRACT

In this study, the control of a two-wheeled stair-climbing inverted pendulum robot and its climbing motion are analyzed and discussed. The robot adopts a state-feedback controller with a feed-forward constant to stabilize the body and achieve step-climbing motion. The control parameter is considered based on the dynamic model motion on a flat surface and the static model of motion on the step. For climbing stairs with a narrow step tread, a constant torque is applied to reduce the space required for recovering the body stability after climbing. The stability of the robot is numerically analyzed by analyzing the orbital stability of its limit cycle. The stability analysis shows that the control method can achieve a stable stair-climbing motion. The effectiveness of the control method is demonstrated through an experiment. The result indicates that the robot can climb the stairs, and the required time for climbing a single step is approximately 1.8?s.     

爆炸箔起爆器参数对电爆性能的影响

为了避免机器人坡面行进姿态与平坦地形直行姿态出现较大偏差,保证多关节机器人运动稳定性,研究基于激光雷达的多关节机器人姿态自动控制方法。结合激光雷达定位导航技术,构建CPG单元振荡器模型,根据运动步态生成原则优化处理足结构参数,完成多关节机器人的运动姿态参数设定。根据姿态参数设定结果实现运动坐标转换,利用动力学方程的简化与分解表达式,确定非线性耦合项参数化处理结果,整合所得变量数据建立反馈控制器连接闭环,利用反馈控制器连接闭环自动控制多关节机器人姿态。对比实验结果表明,在激光雷达技术作用下,机器人上、下坡步长与平坦直行步长之间的误差最大值仅为10%,机器人行进过程中不会出现明显晃动情况,多关节机器人运动稳定性较高。     

电动并联六轮足机器人的运动驱动与多模态控制方法

提出一种并联六轮足移动机器人．该机器人设有多模式Stewart型腿结构,其负载能力大,集成了轮式运动和足式运动的优点,可实现足式、轮式、轮足复合式运动．首先,阐述了机器人设计思路,对电动并联六轮足机器人的硬件系统和控制系统进行设计．其次,针对足式运动模式,设计了一套完整的足式“三角”步态和稳定行走算法,该算法可降低足端与地面之间的垂直方向冲击,防止足式运动拖腿或打滑;针对轮式运动模式,设计并介绍了6轮协同控制和轮式协同转向原理;针对轮足复合式运动模式,介绍了变高度、变支撑面、变轮距、主动隔振控制原理,重点分析了主动隔振控制和变轮距控制,可实现主动隔振及姿态平稳控制,提高了机器人在崎岖颠簸地形下的轮足复合式运动的稳定性．最后,对电动并联六轮足机器人的足式、轮式、轮足复合式运动模式进行实验,实验结果验证了本文提出的并联六轮足移动机器人设计的可行性和各运动模式下驱动与控制算法的有效性．     

Ground adaptive and optimized locomotion of snake robot moving with a novel gait

In this paper, we present a novel gait, forward head serpentine (FHS), for a two dimensional snake robot. The advantage of this new gait is that the head link remains in the forward direction during motion. This feature significantly improves snake robot potential applications. Genetic Algorithm (GA) is used to find FHS gait parameters. Relationship between FHS gait parameters and friction coefficients of the ground are developed. Next, robot speed is considered in the optimization. A fitness function covering robot speed and head link angular changes is defined. A general sinusoidal wave form is applied for each joint. GA is used to find gait parameters resulting in maximum speed while head link angular changes remain in an acceptable range. Optimal gait parameters are also calculated for different friction coefficients and relationships between them are developed. Experiments are also performed using a 5-link snake robot. It is shown that experimental and theoretical results closely agree.     

Generating gaits for snake robots: annealed chain fitting and keyframe wave extraction

Snake robots have many degrees of freedom, which makes them both extremely versatile and complex to control. They are often controlled with gaits, coordinated cyclic patterns of joint motion. Using gaits simplifies the design of high-level controllers, but shifts the complexity burden to designing the gaits. In this paper, we address the gait design problem by introducing two algorithms: Annealed chain fitting and Keyframe wave extraction. Annealed chain fitting efficiently maps a continuous backbone curve describing the three-dimensional shape of the robot to a set of joint angles for a snake robot. Keyframe wave extraction takes joint angles fit to a sequence of backbone curves and identifies parameterized periodic functions that produce those sequences. Together, they allow a gait designer to conceive a motion in terms three-dimensional shapes and translate them into easily manipulated wave functions, and so unify two previously disparate gait design approaches. We validate the algorithms by using them to produce rolling and sidewinding gaits for crawling and climbing, with results that match previous empirical investigations.     

Development of a Tracked Climbing Robot

This paper describes a climbing robot, using chain-track as the locomotive mechanism and suction cups as the adhesion method. The main structure, sensors, and the vision-based motion control system of the robot are described in the paper. The robot can turn in a limited range by adjusting the steering wheel and twisting the chain. The turning gait is discussed and relations between turning angles of the chain node, the front wheel, and the frame of the robot are formulated. Forces applied to the robot are analyzed in order to obtain a safety condition that prevents the robot from slipping and falling. An experiment is conducted to measure the safety factor of suction cups and determine the payload capacity of the robot.