轮-履混合式移动机器人爬坡运动研究

室内外不同环境对移动机器人有不同的运动要求,不同结构的移动机器人也具有各自的运动性能。设计了一种轮-履混合式移动机器人,描述了该轮-履混合式移动机器人不同的运动模式;针对不同的运动环境,实现纯轮式运动、纯履带式运动及腿式运动的相互转换;基于机器人的结构特性,分析了该机器人的爬坡能力,采用稳定锥方法,建立了该轮-履混合式移动机器人完成横向、纵向爬坡的约束方程。实验证明,此种轮-履混合式移动机器人地形适应能力强,具有较强的爬坡能力,在履带运动模式下的爬坡能力可以达到25°。     

封面图片说明

正封面图片来自本期论文"多运动态可重构轮履复合式机器人机械设计",是国防科技大学机电工程与自动化学院智能机械实验室设计的可重构轮履复合式移动机器人示意图.该机器人由控制单元、两个相同的可重构车轮、翻转机构和车体组成,通过并联四连杆机构可以实现轮式、履带式、翻转式3种运动模式的转换.左图是机器人的设计模型,中间图是3种运动形态的三维效果图,右图是3种运动状态     

多运动态可重构轮履复合式机器人机械设计

针对复杂的室外地形特征,结合轮式、履带式移动机构的运动优点,提出并研制一种可重构的具有多种运动模式的轮-履复合机器人.该机器人由控制单元、两个相同的可重构车轮、翻转机构和车体组成,具有轮式、履带式、翻转式3种运动模式.轮式工作形态,机器人为两轮机器人,运行速度快,可全方位运动;履带工作状态,机器人可以适应砾石地、沙地、草地等多种复杂地形,具备较强的越障能力;翻转工作状态,履带轮整体翻转,可跨越栏杆等垂直障碍.机器人轮-履转换由车轮内部的并联四连杆机构实现,可根据地面特征选择运行模式,根据障碍类型选择越障方式.在建立运动学和力学模型的基础上,结合数字仿真方法对结构进行了参数化研究,此设计方法优化了转换机构的运动轨迹,降低了对驱动电动机的性能要求,提高了电动机的使用效率.试验表明,机器人可通过调整自身机构以合理的运动模式通过沙地、草地等路面环境,攀越阶梯和栏杆等复杂障碍,具有良好的环境适应性和越障性能,验证了该移动平台系统设计的合理性.     

基于AH P-模糊综合评价法的轮履复合型搜索机器人性能评价及其软件开发

针对中国在地震搜救机器人评价方面的研究尚浅,首先,介绍轮履复合型搜索机器人的运动模式,构建了一套性能评价指标体系,并制定了指标的详细测试标准,为实际测试提供参考依据。其次,根据指标多层次、多因素且定量与定性相结合的特点,提出应用AHP-模糊综合评价法对轮履复合型搜索机器人评价。第三,基于构建的性能评价指标体系与AHP-模糊综合评价法,提出了一套完整的轮履复合型搜索机器人的综合评价体系。第四,基于该评价体系开发了一套用于轮履复合型机器人性能评价的软件。该软件可管理机器人数据、专家数据、指标体系和评价标准,并可根据专家打分和实测数据得出评价结果。最后,通过实例验证了该评价体系和软件的有效性。结果表明：该轮履复合型搜索机器人的综合性能处于中等水平。     

履腿复合式移动机器人的轨迹跟踪控制与实现

利用Backstepping控制算法实现具有差速转向特征的履腿复合式移动机器人的轨迹跟踪控制。提出基于Backstepping方法的机器人轨迹跟踪控制总体方案;在完成机器人运动学建模的基础上,设计基于Backstepping方法的轨迹跟踪控制律。利用该跟踪控制算法实现了履腿复合式移动机器人进行直线与圆形两种轨迹跟踪的实验验证,并与传统的PID轨迹跟踪控制算法进行对比实验。实验结果表明,基于Backstepping方法的轨迹跟踪控制律能够更快速有效地进行轨迹跟踪,具有更好的控制性能。     

采用模糊逻辑的移动机器人轨迹跟踪

针对差动轮驱动的移动机器人动力学的高度非线性和运动环境的不确定性,提出了基于模糊逻辑的移动机器人路径跟踪控制方法。该方法通过合理选择模糊控制器的参数和优化规则库,使其输出合适的线速度和角速度,从而控制移动机器人准确地跟踪预规划的路径。提出了两轮差动式移动机器人的动力学模型,使得该模糊控制器对不同几何参数的差动式机器人具有普遍的适应性。在实际场地试验和亚太机器人大赛中验证该方法的有效性。     

未知环境下模块化移动机器人路径规划的研究

为了使移动机器人各组件可快速组装、便于维修,设计了一种新颖的模块化移动机器人,由驱动模块、控制模块、传感模块及标准连接模块组成.为了解决移动机器人在复杂未知环境下的路径规划问题,提出了基于"感知-动作"的模糊逻辑控制体系结构,采用基于"感知-动作"的模糊逻辑控制方法分别对模块化移动机器人的路径规划进行了二维和三维仿真.仿真结果显示了该模糊逻辑控制方法的稳定性和实用性.在三维复杂环境下应用该方法仿真实现了单个及多个机器人的避碰运动.     

多运动状态下移动机器人的动力学建模与分析

通过对关节履带式移动机器人越障过程的运动分析,基于履带车辆行驶力学分析及牛顿-欧拉方程,建立了机器人复合越障运动状态的动力学模型.并以车体的运动为控制目标,分析计算了车体、摆臂的运动变化以及驱动力矩的变化.仿真图形验证了机器人具有良好的运动稳定性,为机器人越障过程的控制奠定了基础.     

八轮腿移动机器人平台越障性能研究

针对复杂地形环境,提出了一种八轮腿移动机器人平台,轮腿式移动机器人综合了轮式移动机器人高速、高效、灵活的特点和腿式移动机器人较强的越障能力.本文首先计算了该机器人平台的质心位置,并对移动机器人的稳定性判据进行了分析,在此基础上,针对斜坡、台阶和沟槽等不同类型障碍,就其越障能力与摩擦系数、结构尺寸之间的关系进行了分析,研究了该机器人移动平台越障性能,并求出了其在跨越台阶和沟槽时前后轮腿系统之间的转角关系,分析移动机器人平台姿态调整策略和越障策略.为机器人控制系统的设计做好了理论基础.     

一种全方位护理移动机器人的结构设计与运动学分析

针对需要护理的环境背景及机器人的作业要求,提出了一种全方位护理移动机器人的设计方法,运用solidworks进行了各部分结构初期设计,并在ADAMS中对该虚拟样机进行了动力学仿真,完成了对选型的电机进行了验证;利用D-H方法建立了机器人上肢单臂运动学模型,得到了机器人的运动学正逆解;通过对上肢双臂建立两杆避碰模型,提出了两种相碰的检验条件,选出了最佳检测避碰方案,解决了约束条件下双臂的逆运动学问题;在Matlab环境下,利用蒙特卡罗法计算出工作空间,为确定机器人构形、参数和杆长的优化提供了依据;基于移动机器人在特定环境中的运行稳定性、应用范围、承载能力等特点,对机器人下肢移动方式进行了优化选择,采用全方位移动的完整约束Mecanum轮结构并建立下肢运动学模型,通过对其逆运动学速度雅可比矩阵秩的计算,结合具体结构的分析,优选出四轮全方位运动系统的最佳结构布局形式,提高了机器人运动过程中的稳定性.     

基于车辆地面力学的轮式移动机器人力学模型及分析

基于车辆地面力学理论,分析了刚性车轮与塑性土壤接触作用点的应力、速度和剪切位移,系统地分析和推导了车轮所受地面土壤的作用力.针对四轮滑动转向移动机器人,建立了移动机器人在塑性土壤上行驶的力学模型.通过仿真实验,分析了几种不同地面土壤参数对机器人运动性能的影响.其为轮式移动机器人运动控制和路径规划奠定了基础.     

模块化机器人的双输出CPG网络调相运动控制

为了增强模块化机器人的灵活性,以及对其多模式运动进行更简单有效地控制,结合阵列式和串联式自重构机器人的特点,设计基于万向式关节的双自由度UBot模块,并根据两个关节之间的相互抑制关系,结合生物学的中枢模式发生器(CPG)运动控制原理,设计具有双输出的CPG网络调相运动控制器.通过调整CPG间的连接权重以及每个CPG中两组输出的关系,调解运动控制信号间的相位差值,有效地控制UBot模块化机器人的整体协调运动.应用这种控制方法控制了模块化机器人的3种运动模式:四足运动、蠕动和多节虫运动,在ADAMS仿真环境下进行了运动仿真实验,并在UBot模块化自重构平台上分别进行了3种构型的实体运动试验.实验结果验证了双输出CPG调相网络对模块化机器人运动控制的有效性和实用性.     

一种全方位移动机器人的运动分析与控制实现

为达到在动态环境下,对机器人进行实时控制的目的,提出一种全方位移动机器人运动控制器的设计方法.以足球机器人Robocup作为实验平台,全方位移动机器人作为研究对象,通过研究具有四组正交轮组成的移动机构运动机理,在将机器人运动进行分析的基础上,以数字信号处理器(DSP)为核心,引入专家比例-积分-微分(PID)速度控制器,实现了对机器人的控制.实验结果表明,该设计方法有很好的实时性和一定的鲁棒性,在实际比赛中,实现了对全方位移动机器人的快速、实时、准确控制.     

输电线除冰机器人机械结构设计与运动特性分析

针对四分裂输电线路除冰作业任务,提出了一种能够适应多分裂输电线路行走和作业的四轮移动机器人机构构型及其末端工具,通过拉格朗日法推导并建立机械臂的动力学模型,基于该动力学模型在ADAMS中对机器人的动力学特性进行仿真研究,结果表明,本文所提出的机器人机构能够完成四分裂除冰作业,同时机器人各关节的运动满足作业过程中驱动力矩的要求,避免了机器人关节力矩驱动力不足和驱动力过大等造成的机器人系统作业故障和作业失败的发生,最后,通过实验验证了本文所提出机械构型和动力学模型的工程实用性。通过本文的研究,对于输电线路移动机器人机械结构参数优化和电气控制参数优化具有双重重要的理论意义和实际应用价值。     

柔性两轮移动机器人动力学建模及模型分析

针对两轮机器人腰部柔性的结构特点,以柔性多体系统动力学理论为基础,设计了柔性两轮移动机器人,并根据假设模态法,将其抽象为平面柔性三连杆系统,利用D'Alembert-Lagrange原理建立了柔性机器人的动力学模型,得到了以机器人本体的3个杆的倾斜角度和左右轮的转角为参量的系统动力学方程和系统腰部柔性连杆的振动方程.给出了数学模型推导的具体步骤,并对该模型做了仿真分析.结果表明,该模型为柔性机器人的运动及控制研究提供了理论依据.     

一种全方位移动机器人的系统设计

针对机器人寻找场地黑色中心区域的任务要求,研制一种四轮驱动全方位移动机器人.依据机器人所需的驱动力,计算驱动电机的功率,并对电机进行选型,分析机器人的转向性能,设计基于ATmega128单片机的控制系统.机器人性能实验结果表明:设计的全方位移动机器人采用前、后轮逆相位转向时,运动稳定性较好,并能够准确地找到目标点.     

转向盘式六足机器人设计及全方位运动控制

基于转向盘的全方位步行机器人综合了腿式机器人与车辆方向盘的结构特征,为了对其运动性能及运动控制进行系统研究,介绍了该机器人的设计思想、机构特色及运动原理.建立了该机器人的等效操作臂模型,给出操作臂的雅克比矩阵,推导出操作臂在关节空间和笛卡尔空间下的动力学方程,以此给出了转向系统的非线性闭环控制模型.基于Adams与Matlab/Simulink对机器人全方位运动进行了PID联合控制仿真,并对样机模型进行了实验研究.结果表明:转向盘式步行机器人在全方位运动控制方面灵活性好,方向精度高,控制简单可靠.     

基于Matlab的有路标移动机器人定位仿真

为了满足机器人精确定位的要求,提出一种基于多传感器信息融合的自定位算法并介绍了如何利用Matlab搭建移动机器人定位系统的仿真模型.仿真程序建立了移动机器人活动的虚拟环境,模拟了机器人的运动模型、里程计、激光雷达观测模型,利用扩展卡尔曼滤波算法将里程计和激光传感器采集的数据进行融合;最后,由匹配的环境特征对机器人的位置进行修正,得到精确的位置估计.仿真试验的结果表明该定位系统具有较高的定位精度.模块化的仿真系统设计有利于其他定位算法的验证,对机器人系统的理论研究以及实用化具有重要的作用.     

含有纯约束分支的无耦合2T型并联机器人构型综合

为解决并联机器人强运动学耦合性问题,提出一种含有纯约束运动分支的无耦合二维移动(2T型)并联机器人的构型综合方法.此类并联机器人的分支运动链包括2种类型:向动平台提供驱动力的主动分支和仅提供约束的纯约束分支.首先基于机构输入-输出运动之间的数学模型和驱动力螺旋理论建立了机构主动分支的结构综合方法;然后根据分支运动特性和约束螺旋理论实现了纯约束运动分支的结构综合;最后按照各分支运动链的配置条件完成了并联机器人的构型综合,得到多种新型机构.对综合出的2种2-RURR/RRR和2-CPR/RPR并联机器人进行自由度和运动分析,基于其雅可比矩阵判断出机构均具有无耦合运动学特性,验证了所提出理论方法的正确性和有效性.     

非平坦地形下移动机器人航迹推测方法研究

精确可靠的航迹推测是实现移动机器人自主导航的一个极为关键的环节.针对一个3摇杆6驱动轮的移动机器人实验平台,本文提出了其在非平坦地形下的航迹推测方法.通过运动机构的分析,获得了移动机器人自身的位姿及运动参数.基于非平坦地形下运动机构间的刚体约束,建立了机器人的运动学模型.采用编码器、光纤陀螺仪和倾角传感器等测量机器人的动态参数信息,依据其运动学模型实现非平坦地形下的航迹推测、仿真,并分析验证了航迹推测方法的有效性,从而提高了移动机器人自主导航的定位精度.