爪刺式飞行爬壁机器人的仿生机理与系统设计

在深入分析自然界生物在含粉尘非结构化表面上着陆栖息和爬行仿生原理的基础上,建立了爪刺式飞行爬壁机器人的爬行动力学模型和接触―碰撞动力学模型,研究了爬壁系统的爬行动力学和机器人整机的接触―碰撞动力学行为.利用柔性碳纤维杆和柔性绳组合机构以及爪刺机构,实现爪刺对壁面的自适应抓附与脱离.完成了具有飞行和壁面爬行能力的爪刺式飞行爬壁机器人的优化设计,并开展了整机着陆栖息和爬行的实验.通过与计算结果的比较,验证了动力学模型的正确性和仿生设计的可行性.研究得到了理想爬行步态所需要的舵机驱动力曲线,且发现当尼龙绳预紧力为0.75 N时,对爬行过程中的抖振现象的减缓效果最佳.同时,还深入分析了着陆初速度、能量转换以及舵机升力对着陆栖息的影响,结果表明当着陆碰撞前速度约为0.9 m/s、俯仰角约为?10?时,机器人能正常着陆在粗糙壁面上,并且碳纤维杆的能量转换与升力的共同配合能扩大成功着陆所需的初始状态范围.     

基于ADAMS的仿壁虎爬壁机器人的运动仿真

为实现在不同环境的壁面上自由爬行,设计了应用仿壁虎微纳米粘附阵列的爬壁机器人,建立了机器人的动力学模型及足部与壁面之间的接触模型,并利用机械系统动力学软件ADAMS的仿真功能,对机器人沿垂直壁面爬行的运动特性进行了仿真.利用ADAMS的后处理模块的分析功能,重点研究了在一个运动周期内,模型整体质心的位移、电机转矩以及足部与壁面之间的接触力随时间的变化情况.仿真结果表明该仿壁虎爬壁机器人能够以约26mm/s的速度沿着垂直的壁面平稳地运动,不存在波动和偏离.这为下一步研制仿壁虎爬壁机器人的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.     

湿吸附机理及其在仿生爬壁机器人中的应用

提出一种新的基于湿吸附机理的仿生爬壁机器人．首先讨论湿吸附模型及吸附力的控制方法,对一种 基于硫化硅橡胶（聚合物）的仿生足垫的湿吸附力进行测试,由此验证足垫与壁面间的液体薄膜对吸附力的积极影 响．然后设计一种实验研究用的轮爪式仿生爬壁机器人,并对其进行静力学分析．最后对所设计的机器人进行爬壁 试验．结果表明,液体薄膜可以有效提高足垫吸附力,所研制的湿吸附机器人可吸附于约85度的壁面,可成功爬行 于坡度约65度的玻璃壁面,一定程度上验证了湿吸附机理爬壁机器人的可行性．     

一种仿婴儿欠自由度四足爬行机器人

受婴儿爬行时独特的躯体形态的启发,设计了具有柔性脊柱和弹性膝关节的欠自由度四足爬行机器人BabyBot,其脊柱为变截面通体柔顺结构,膝关节为无自由度可变形被动关节.利用伪刚体法对柔性脊柱和弹性膝关节的结构参数进行设计,采用中枢模式发生器(CPG)运动控制模型生成对角爬行步态轨迹,柔顺机构与仿生控制有机结合形成了BabyBot机器人"以膝着地、腰髋耦合"的仿婴儿爬行步态.对欠自由度仿婴儿机器人的机构可行性,以及柔性脊柱对机器人运动性能的影响进行仿真及实验,结果表明,具有弹性膝关节的欠自由度四足机器人可以实现平稳的爬行运动,变截面柔性脊柱能够减小机器人行走时躯干在横滚及偏转方向的姿态波动程度,提高了机器人运动的协调性和轨迹准确性,并揭示出婴儿爬行时脊柱的柔顺运动对稳定视觉的潜在作用.     

仿尺蠖爬壁机器人自适应吸附及摇杆控制

为了解决真空吸附爬壁机器人爬行时,需要吸盘和壁面紧密贴合,不易操控的问题。建立了吸盘足至壁面的空间几何模型;基于D-H参数,建立了运动学模型,根据速度运动学逆解,设计了一种用于对称机构爬壁机器人的摇杆操作方法,将摇杆轴映射为关节速度闭环;根据位置运动学逆解,设计了自适应吸附动作,吸盘足与壁面距离小于设定阈值时,自动触发自适应吸附动作;搭建了机器人控制系统和自适应吸附装置,在水平壁面上进行爬行实验,验证了该方法可减小操控难度。     

仿壁虎机器人足端工作空间分析及其实现协调运动的步态规划

基于对壁虎爬行运动的研究,提出一种四足仿壁虎爬壁机器人.对其机械结构、运动学、足端工作空间和越障能力进行了分析,规划了两种爬行步态,并针对实验中出现的过驱动问题进行了分析,设计了一种多关节协调控制算法.实验结果表明,使用该控制算法的机器人运动是协调稳定的,验证了分析结果的正确性和控制算法的有效性.     

基于ADAMS的仿壁虎机器人步态规划及仿真

分析了一种仿壁虎机器人的机械结构及其运动学原理,通过对壁虎运动行为的研究,规划了一种仿壁 虎的墙面爬行对角步态．利用ADAMS 对机器人沿垂直壁面爬行的运动进行了仿真,分析了模型质心位移、关节转 矩以及足部与壁面之间的接触力等参数．最后通过实验分析,验证了结构设计、步态规划的合理性,所选择的电机 符合设计要求．     

仿尺蠖多模式爬壁机器人设计与控制方法研究

对于高层建筑清洁、大型化工罐体焊接与检测以及管道、隧道等狭小空间的安全巡查,传统方式为人工操作,存在安全隐患及效率低下等缺点,针对这些问题,提出了一种爬壁机器人设计方案。通过研究自然界尺蠖类生物的壁面攀爬机理,结合仿生技术,利用真空吸附和爪刺抓附两种附着技术,研发了一种仿尺蠖多模式爬壁机器人。首先在静态条件下,采用D-H参数法建立了机器人运动学数学模型,求解了机器人运动学的正、逆解,然后进行了基于极坐标理论的机器人控制方法研究,分析了了步态控制策略,并基于嵌入式控制器搭建了实际样机的控制系统,进行了功能性测试,验证了爬壁机器人的运动学模型的正确性和步态控制方法的平稳性,为双足类仿生机器人进一步研究提供了参考。     

一种基于行星履带轮越障与混合双吸附补偿的爬壁机器人的设计与研究

针对爬壁机器人在复杂壁面工作时越障能力弱、移动迟缓和吸附力不足等问题,设计了一种基于行星履带轮越障与混合双吸附补偿的爬壁机器人,并对壁面移动和越障的性能进行研究。首先根据机器人在壁面上的运动原理,建立其力学模型,计算出沿壁面移动和越障所需的吸附力;进一步结合其受力情况,对越障过程中爬升阶段和跨越阶段的吸附力补偿模型和行...     

一种磁吸附壁面移动机构

本文提出了一种轮，履带复合式磁吸附壁面移动机构，介绍了结构方案和磁性支重轮的设计方法，并分析了该机构的稳定性和被动柔顺功能，该机构既可作为铁磁性壁面上爬行的运载工具，又能运用到封闭管内行走机器人的行走装置上。     

微型仿生四足机器人的研究

介绍了一种微型仿生四足机器人,对其机械结构和运动方式进行了理论分析和软件仿真,并制作了机器人样机,其长度41 mm,宽度49 mm,高度29 mm.利用两套平面连杆机构的有效组合,模拟了足式运动的抬腿、前跨、后拉等动作,通过可旋转式的机身实现机器人的转向,以微型电机配合微型齿轮减速器作为机器人驱动源.     

被动吸附式小型爬壁机器人开发

区别于使用真空发生器抽吸空气产生真空的传统爬壁机器人,本文介绍了一种利用吸盘自身形变和机构运动产生真空,在壁面上爬行的被动吸盘履带式机器人结构特点,并对其控制系统的组成作了说明.     

四足仿生机器人单腿系统

为实现四足仿生机器人动步态行走,设计一款基于液压驱动方式的机器人仿生单腿系统.首先,在四足哺乳动物肌肉-骨骼结构分析的基础上,确定了机器人单腿的自由度配置;其次,通过机器人在平坦路面上的行走运动仿真,获得关节输出特性;随后,在仿真研究的基础上,完成了关节驱动机构设计、液压驱动器选型、4自由度单腿设计以及控制系统设计;最后,搭建单腿子系统性能测试平台,并完成了单腿纵向弹跳实验.弹跳实验验证了机械结构和控制系统设计的正确性和相关控制算法的有效性.     

新型仿生球形两栖子母机器人系统设计

为解决传统两栖机器人的一些突出缺点,探寻机器人领域更多的可能性。本文设计了一种新型仿生球形两栖子母机器人系统,该系统中球形两栖母机器人在陆地采用仿生四足爬行方式运动,在水下采用矢量喷水电机进行喷水推进,无噪声,增加隐蔽性,并为微型子机器人提供控制信号和能源。微型子机器人陆地采用轮式驱动,设计了可以实现水陆两栖的桨叶轮。该子母机器人系统通过XBee通信模块实现无线通信。通过进行的子母机器人的陆地和水下运动试验,验证了设计的子母机器人系统的有效性。     

基于System Vue的爬壁机器人控制器研究

针对传统机器人控制器控制性能差,控制时间慢的问题,基于System Vue研究了一种新的爬壁机器人控制器。在机器人控制器仿生分析过程中,对爬壁机器人的腿部进行仿生关节的模拟性增加操作,并进一步提升关节的灵活性,促使关节在运行过程中能够自主完成对身体的前后控制以及倾斜处理,根据所获得的仿生与步态规划数据,对爬壁机器人控制器进行控制模型的建立与参数的设置操作,优化爬壁机器人控制器吸附控制算法,并利用LM339芯片改进JH-D400X-Ｒ4型六向摇杆的内部电路,使控制爬壁机器人的吸附和移动功能得到更好的控制。利用引导路径加强系统自身防护,对路径进行清理。实验结果表明,基于System Vue的爬壁机器人控制器具有较好的控制性能,控制时间提高了1.52s。     

仿生六足爬行机器人运动控制技术研究

在对生物神经系统结构与功能进行分析和借鉴的基础上,采用模块化分散递阶控制技术对仿生六足爬行机器人进行实时控制,解决了仿生六足机器人实时精确运动控制的问题,并在机器人关节控制模块中运用了模糊小波神经网络控制,实现了机器人肢体运动的快速精确跟踪;通过Matlab进行的轨迹跟踪仿真试验证实：机器人步行足的运动轨迹与期望曲线基本吻合,具有较好的跟踪特性,且误差曲线快速收敛,静态误差趋近于零;由此表明,该机器人控制系统可靠性高,实时性强,具有较好的动、静态特性,以及良好的抗干扰能力和自适应能力,克服了传统控制方法存在的控制模型难以建立、对环境适应能力差等缺点,为仿生六足爬行机器人的进一步研究奠定了坚实的基础。     

被动吸附式小型爬壁机器人开发

区别于使用真空发生器抽吸空气产生真空的传统爬壁机器人,本文介绍了一种利用吸盘自身形变和机构运动产生真空,在壁面上爬行的被动吸盘履带式机器人结构特点,并对其控制系统的组成作了说明。     

储罐壁面爬壁机器人吸附结构设计与优化

为了解决爬壁机器人在运动过程中由于吸附力不足而产生的倾覆问题,设计了一种具有曲面自适应性的永磁爬壁机器人。该机构区别于以往的爬壁机器人,具备两个方位上的旋转自由度,能够实现永磁吸附结构实时贴合壁面,确保提供稳定可靠的吸附力。在储罐壁面工作情况下,对机器人进行静力学分析,得到其在壁面不发生下滑和倾覆的安全吸附条件,并在此基础上,利用Ansoft Maxwell软件对吸附结构进行了仿真分析和结构优化,并获得了最佳结构尺寸。     

液压驱动单元基于力的阻抗控制方法控制参数灵敏度分析

液压驱动型高性能足式仿生机器人具有很好的适应能力,为尽可能地避免其足地接触过程中的冲击和碰撞,足式机器人的关节应具有一定的柔顺性,而基于力的阻抗控制是一种在液压驱动型高性能足式仿生机器人腿部关节中常用的主动柔顺控制方法.针对驱动足式机器人关节运动的液压驱动单元(HDU),研究基于力的阻抗控制方法在HDU上的应用,推导其状态空间表达,并在HDU性能测试平台上对阻抗控制效果进行实验验证.针对影响阻抗控制效果的4个主要控制参数,对比分析不同灵敏度分析方法的优劣势,最终确定使用相对简单求解过程的一阶矩阵灵敏度分析方法,对4个参数在4种不同工况下进行动态灵敏度分析以及定量灵敏度分析,并进行实验验证.所得基于力的阻抗控制参数灵敏度分析结论可作为不同工况下控制参数优化的理论参考和实验基础.     

基于黏附稳定包络边界的爬壁机器人竖直壁面过渡策略

爬壁机器人由于其出色的攀爬能力在管道、壁面类检修与维护等方面表现出独有的优势,但是攀爬过程中因缺乏竖直异面过渡能力而限制了其在壁面的运动性能。本文以机器人在竖直攀爬面上内直角处灵活过渡为研究目标,提出了多足机器人在壁面过渡中的足端力映射模型与足底力求解方法,以及相应的壁面过渡策略。首先建立了一种适用于匍匐式攀爬机器人的足端黏附力映射模型,构建了足端力与质心广义力的等效映射关系,在此基础上以机身稳定为原则,采用多约束的非线性规划方法求解出能够实现壁面过渡的黏附包络的上下边界,为机器人稳定壁面过渡提供评价指标。其次,研究壁面过渡进程中机器人与环境稳定接触与剥离的优化过渡策略,并依据所提出的评价指标完成仿真验证。最后在实体机器人平台上测试上述壁面过渡策略,实验结果表明该策略能够有效提升壁面过渡的成功率,保障爬壁机器人在壁面过渡应用中的可靠性。