基于4D打印技术的水陆两栖机器人运动功能转换及控制

传统水陆两栖机器人的推进结构通常是将陆上推进结构与水上推进结构进行叠加,导致了现有水陆两栖机器人的机械结构较为复杂,增大了控制的难度。基于4D打印技术设计并制备了一种由轮毂和具有热变形响应性质桨叶结构单元组成的轮桨复合推进结构。该结构可通过热刺激变形响应实现水陆运动功能转换,有效地降低了水陆两栖机器人推进结构的复杂度。此外,还分析了几何参数和输入功率对桨叶结构变形响应速率的影响,实现了桨叶结构的可控变形,从而降低了水陆两栖机器人运动控制的难度。原型机试验结果表明,利用4D打印技术制备的水陆两栖机器人在降低了结构复杂度与控制难度的同时,可以实现水陆运动功能转换及控制。     

基于多目标遗传算法的水陆两栖可变形机器人结构参数设计方法

水陆两栖可变形机器人是一种兼具变形能力与两栖环境适应能力的新型移动机器人。在其机构设计中,结构参数直接影响该机器人在任务环境中的各项机动性能。针对水陆两栖可变形机器人工作环境复杂性和任务多变性,提出一种基于多目标遗传算法的机器人结构参数设计方法,以得到该型机器人在两栖环境中的最优的综合性能。在水陆两栖可变形机器人陆地环境和水环境中运动学和动力学模型基础上,建立两栖环境中机器人的机动性能指标函数与结构参数的映射关系,并在此基础之上构建面向水陆两栖可变形机器人的结构参数设计的多目标优化问题。利用多目标遗传算法得到该多目标机构参数设计问题的Pareto最优解集,并且通过组合赋权方法确定各目标决策属性的权重,从Pareto最优解集中得到符合设计要求的水陆两栖可变形机器人的各项机构参数最优解,进而指导机器人最终结构参数设计。根据最终得到的结构参数研制出水陆两栖可变形机器人样机Amoeba-II,并在两栖环境下进行样机的各项性能试验,最终验证了基于多目标遗传算法的机器人结构参数设计方法的有效性以及在机器人设计中的适用性。     

水陆两栖蛇形机器人的研制及其陆地和水下步态

针对沼泽、浅滩等复杂环境对蛇形机器人的环境适应需求,在广泛分析国内外水陆两栖蛇形机器人研究最新进展的基础上,研发一种新型水陆两栖蛇形机器人。该机器人由9个具有密封设计的万向运动单元组成,保证了样机在陆地和水中均能灵活运动。基于简化的蛇形曲线得到水陆两栖蛇形机器人的基本二维运动步态即蜿蜒运动。对两个垂直平面上,即水平面和竖直面上基本步态进行复合,由基于启发式思想的三维步态生成方法,得到包括侧向蜿蜒等运动的水陆两栖蛇形机器人的多种陆地步态和水下步态,其中S形翻滚运动和螺旋翻滚运动为蛇形机器人的两种新型步态。通过步态试验验证了水陆两栖蛇形机器人的陆地和水下运动能力。在试验过程中,对陆地和水下步态的性能做出分析,分析结果对水陆两栖蛇形机器人在陆地和水下运动的位置和姿态控制具有重要意义。     

小型两栖球形机器人陆地运动建模及实验分析

为实现两栖环境和狭窄空间内生物搜救及跟踪调查等任务,需要机器人具备高灵活性、微型结构和多功能运动模式等特点。智能驱动器驱动的仿生微型机器人及电机驱动的中小型机器人很难同时满足要求。因此,提出由一个仿生小型两栖球形母机器人和若干微型子机器人组成的子母机器人系统,母机器人由电机驱动,具有矢量喷水-四足步行复合式一体化驱动机制、水陆两栖运动模式等特点,子机器人由智能驱动器驱动。首先对子母机器人系统进行了描述;其次对两栖母机器人进行了运动学建模分析、陆地运动步态设计;最后搭建了两栖球形母机器人原型机样机,且基于所设计的静态爬行/动态对角小跑步态进行了一系列的陆地运动实验,验证了母机器人陆上静/动态步态运动的灵活性和可行性。     

煤矿抽水蓄能电站水陆两栖机器人控制系统设计

为实现煤矿抽水蓄能电站建设前期废弃矿洞的勘探和建成后期地下厂房系统、地下水库的巡检任务,提出了一种结构布局合理、姿态调节灵活、控制稳定精确的煤矿抽水蓄能电站水陆两栖机器人.以煤矿抽水蓄能电站水陆两栖机器人为研究对象,简要介绍了机器人的总体方案设计,重点研究了其控制系统的设计,阐述了控制系统软、硬件的设计与实现,并通过Matlab Simulink仿真软件进行了数字仿真实验.仿真结果表明:艏向运动控制系统调整时间约为10.8 s,系统响应时间约为8 s,振幅超调量仅为6.5％,系统稳态误差不超过3°,满足艏向运动控制要求,从而验证了控制系统设计的正确性和可行性.研究结果具有较高的工程实用价值,为后续水陆两栖机器人的研制奠定了理论基础.     

基于传感器的两栖机器人环境感知系统研究

通过对两栖机器人复杂作业环境及自身设计特点的分析,针对水面、陆地及水陆交叠的不同环境,分别为机器人设计了基于传感器的环境感知系统,并在此基础上,针对陆地环境将模糊控制算法引入两栖机器人的避障研究,设计了模糊控制器.仿真及实验研究的结果表明,该环境感知系统可以在不同的作业环境下及时准确地获取环境信息,同时模糊控制算法应用于陆地环境下的机器人局部路径规划后,取得了较优的无碰撞局部路径.     

小型两栖机器人推进机构设计与水动力学分析

根据两栖机器人对水陆两种环境的适应需求,设计了一套水陆两用的机器人推进机构。基于水动力学原理,对机器人推进机构的轮片在水下产生的推动力进行了分析。分析结果表明,两栖机器人水下推进力与轮片的弧度,截面面积及转动速度等因素有关。根据分析结果对推进机构参数进行了优化选择。     

水陆两栖仿生海龟机器人设计与分析

针对传统机器人在水陆工作环境下运动模式转换的适应性问题,以海龟的水陆行进方式为出发点,分析了水下扑翼动作、水下转向和沉浮动作以及上岸后水翼折叠动作的实现方式,提出了一种采用扑翼传动机构、可变形自锁水翼机构、后腿机构和重心调节机构来实现水陆行进的水陆两栖仿生海龟机器人设计方案。建立了扑翼传动机构运动模型和仿生机器人整体重心仿真模型,分析了仿生扑翼运动特性并计算了固定配重安装位置。对仿生水翼进行力学分析,表明机器人能够实现可靠的水下扑翼运动。对仿生机器人关键零部件进行了流固耦合力学仿真分析和方案优化。试制了仿生机器人样机并进行了试验测试,实现了仿生机器人的基本功能。     

水陆两栖六足机器人的设计与性能评估

为提高机器人两栖环境下的运动性能,同时降低其运动机构在水陆间切换的机械复杂性与控制难度,提出了一款复合运动肢的水陆两栖六足机器人。对机器人进行陆地和水下的运动规划,解决了机器人适应不同坡度斜坡地形的稳定性问题;通过配置矢量推进器的位姿,实现了机器人多自由度的水下运动。ADAMS下机器人爬行运动的仿真结果在验证机械设计合理的前提下也表明机器人在不同坡度的斜坡爬行具有较好的稳定性。为进一步评估机器人的运动性能,搭建了机器人样机,在测试机器人斜坡爬行性能的同时,验证了机器人在水下可实现包括直行、旋转、上浮和下潜的多自由度运动。实验结果表明,机器人在陆地与水下均具有良好的运动性能。     

基于线翎电鳗运动模式的水陆两栖机器人设计

针对机器人在水下环境的环境探测方面,提出设计一种拥有类鱼类MPF运动模式水陆两栖仿生线翎电鳗探测机器人.机器人由STM32-F103C8T6主控板、单轴60kg-DS5160舵机、42步进电机J-4218HB4401、TB6560步进电机驱动器、XL6009升压模块以及特定的机械结构组成.机器人通过主控板对步进电机进行控制,使其带动机械机构模拟线翎电鳗运动模式进行运动;通过大功率舵机的调节,可使其可在水陆两种环境进行运动.实验结果表明,设计的水陆两栖机器人有在水陆环境中有效地进行工作,模拟线翎电鳗运动模式的意义.     

基于GIS和SLAM的机器人大范围环境自主导航

机器人自主导航技术的基础是其自定位能力,同时同步定位与建图(SLAM)是实现机器人自定位的重要方法。目前由于大规模SLAM技术发展的限制,机器人很难实现在大范围环境下进行建图和导航,并且尚没有结合SLAM和实际地理空间信息指导大范围机器人导航的完整自主导航系统。提出基于GIS和SLAM的机器人大范围环境自主导航方法,利用真实的城市空间路网信息,以地理信息系统(GIS)空间数据库的存储和计算能力为数据支撑,基于提出的大范围导航算法,实现了一套包含空间数据库、SLAM、导航算法的完整系统,具有良好的可复用性和可扩展性,符合实际生活场景,可以指导机器人进行大范围条件下的导航和建图行为。同时通过对机器人激光建图信息的存储,使得再次经过本区域的机器人可以在户外精确定位,实现在室外GPS缺失或误差条件下自身位置的修正。此外地图信息的存储可以实现多机器人对地图信息的复用,为多机器人的规划提供支撑。同时将人类世界的空间信息与机器人建图信息相结合,细化和丰富了原有的空间信息。     

Localization of Small Mobile Robot by Low-Cost GPS Receiver

This article deals with a problem of the robot localization in the outdoor environment by using the GPS （global positioning system） data. In order to navigate the robot, it is necessary to transform the global position into the local map in the form of two-dimensional Cartesian coordinate system. The transformation is based on the model of the Earth-WGS 84 reference ellipsoid. The aim of this article is to experimentally evaluate a set of low-cost GPS receivers applicable as position sensors for small outdoor mobile robots. The evaluation is based on series of measurements executed in different times and places. The measured data is processed by given procedure and acquired positions are transformed into the local coordinate system. Accordingly the accuracy of the measured positions is statistically evaluated. The evaluation of used GPS receivers is done by comparison with data acquired by high-end geodetic GPS system Leica 1200, which is used as a reference GPS system.     

基于多传感器的足式机器人路径规划系统研究

采用全球定位系统（GPS）、数字罗盘和超声波传感器,构建了足式机器人路径规划系统,对多个传感器的数据进行融合,建立了导航和避障的算法模块。试验验证,机器人按照该算法能够简单避障并到达目标点。     

四旋翼两栖机器人姿态求解与控制

介绍了一种基于四旋翼驱动的两栖移动机器人。首先简要介绍了该机器人的机械结构与控制及传感系统,并介绍了机器人由四旋翼机构提供动力,并通过对4个旋翼的转动速度和方向进行配置,从而实现在空中飞行或在地面滚动的原理。然后,采用四元数方法对该两栖机器人进行了姿态求解,在此基础上,基于PID算法开发了机器人的飞行控制算法,并进行了相应的仿真。最后通过实验验证了该两栖机器人能够实现预期的两种运动模式,即空中飞行和地面滚动。该机器人提高了传统只具有单一运动模式的移动机器人的环境适应能力。     

A method for indoor navigation based on magnetic beacons using smartphones and tablets

Outdoor navigation using GPS receivers installed in various types of consumer electronics devices, especially smartphones and tablet computers has become very common. However, indoor navigation can be problematic as GPS signals are blocked by ceilings and building walls and accuracy is on the order of building dimensions. In present work we propose using an array of magnetic beacons for localizing a receiver equipped with a magnetic sensor. A smartphone or a tablet computer with an internal magnetometer can be employed as a receiver. Exploiting smartphones and tablets for indoor navigation is a great advantage when considering convenience, simplicity and low cost. The navigation area is covered by magnetic beacons deployed in known locations. Each beacon generates an AC magnetic field with a unique signature enabling the receiver to distinguish between beacons. The signature may feature a specific single frequency tone, a combination of frequencies, or any other modulated signal. A software application running on the receiver enables self-localization by means of detection and identification of the nearest beacon. A system prototype has been developed and used to test the proposed method in field conditions. Experimental results show successful localization, which paves the way for a full scale development of an effective indoor navigation system. The good results together with simple implementation make the proposed method attractive for a wide range of indoor localization applications, including: pedestrian and robot navigation, inbuilding rescue missions, vision impaired assistance, and location aware services, just to mention a few.     

一种人形机器人气动导航主动控制系统

为解决人形机器人导航控制智能化水平较低,自适应程度不高的问题,设计了一种基于北斗导航的人形机器人气动导航主动控制系统。建立了人形机器人运动学数学模型,研发了机器人气动导航控制系统,通过国家2000坐标下导航实验,对模型和系统进行了实验验证。结果表明:建立的运动学数学模型和导航控制算法是合理的,研发的气动导航主动控制系统可满足人形机器人的气动导航主动控制要求,有效提升了人形机器人导航控制的智能化程度。     

基于VxWorks系统的无人车GPS／INS组合导航

为了实现汽车自主导航,针对实时性导航,提出了一种基于VxWorks操作系统的GPS＋INS（inertial navigation system,惯性导航）组合导航。首先分析了无人车模型,布置导航的总体框架,确定CAN网络为整车通讯网络;然后研究了GPS导航,利用高精度GPS设备得到无人车坐标值,进而实现了GPS导航;接着研究了INS导航,利用一定精度INS的两个加速度计来积分推算无人车的航位,实现导航;再通过VxWorks结合两种导航方式,互相弥补信号的丢失与不可用。同时,开发了基于Windows的可视化导航界面,直观地观察导航效果和进行后台操控。实验验证了此导航的可行性和实时性。     

缝隙搜救机器人镜体的形状重建和定位方法

搜救机器人的路径形状重建和定位是在搜救过程中一项最基本的任务,但地下复杂的环境使得GPS信号完全不可用,因此必须找到一种可替代的方法解决。为建立一套完整的搜救机器人系统,提出了一种能够利用惯性导航传感技术对废墟缝隙搜救机器人镜体形状重建的方法,该方法在初始位置已知的情况下,融合移动距离和方向角进行积分,得到机器人镜体形状曲线,并将其显示在三维坐标中。利用该方法,可以有效地对搜救机器人定位,及时救援发现的被困人员。文中详细叙述了该方法的理论基础,并以此展开了仿真和实验研究。结果表明,重建的轨迹与模拟废墟送进路径达到了非常高的匹配度,在3.4m长度中定位精度达到了20 cm以内。