基于并联机构的双重驱动管道机器人设计与研究

并联机构具有结构简单、承载能力强等优点,因此基于新型3-UPU并联机构,设计了一种针对中型管道的双重驱动管道机器人。该机器人采用并联机构作为支撑驱动机构来实现支撑运动模式,包括转弯运动及在非圆柱形管道中行走。同时该并联机构具有连续转动能力,保证了机器人转弯运动的平稳性。采用四叶螺旋作为机器人的螺旋驱动机构,实现螺旋运动模式,提高机器人的运行速度。设计了一种联接变角单元,可实现两种运动模式之间的转换,并通过调整螺旋角来改变机器人螺旋运动时的速度。该管道机器人结构紧凑、速度快、运行平稳,可以在人所不能触及的管道内部进行检测和日常维护。     

基于偏差耦合法的同步控制策略研究与实践

为解决多轴控制系统中各运动轴的同步性问题,研究了偏差耦合同步方案的原理。利用模糊PID控制算法,对该方案中的速度补偿器进行了设计和仿真,并采用DSP加以实现。仿真和试验结果表明,与常规PID控制器相比,采用模糊PID作为速度补偿器的偏差耦合方案可获得更好的同步控制性能。     

光传输管道清洗机器人控制系统设计与研究

在对光传输管道的结构特点进行调研分析基础上,对用于清洗此类管道的机器人控制系统进行了研究。设计了包括视觉系统和机器人行走控制两部分的运动控制系统。视觉系统负责采集数据并对数据进行处理后计算机器人的偏移量和偏移角度;机器人行走控制主要由纠偏控制与舵角控制两部分构成,形成一个以舵角为被控对象的闭环控制系统,基于视觉系统实时获取的偏差信息,通过控制算法进行在线实时纠偏,不断消除位姿偏差达到机器人跟随管道中心线的目的。该机器人运动过程匀速、平稳,结构简单,控制灵活,系统工作稳定,在直线行走过程中,行走10m后机器人距离中心偏差≤1cm,其为进一步对光传输管道的污染控制进行研究提供了平台。     

放射源处置机器人电液行走控制系统仿真与实验

针对放射源处置机器人工作环境的特殊需求及驱动电机功率限制,设计了一种相互独立的双通道电液比例阀控马达行走控制系统,建立了电液比例行走控制系统数学模型。为实现机器人行走控制系统快速、稳定、准确的速度控制,提出一种双通道模糊PID控制策略。对所设计的电液比例速度控制系统进行仿真与实验,结果表明电液控制系统及控制策略满足系统性能需求。     

牵引式排水管道清淤机器人的研究

研究了一种新型排水管道清淤机器人,对其组成及工作原理做了论述,以及对基于PLC的软、硬件控制做了详细介绍。用钢丝绳牵引装置带动清淤车体连同清淤斗完成有载清淤作业,保证清淤作业有足够的牵引力。通过清淤机器人本体自带动力源带动清淤斗在管道内部空载运动,代替了传统清淤机器人沉重的有缆作业。通过监控系统适时监控管道内部清淤作业状况,采用无线通讯方式传输数据,根据作业要求完成对清淤动作的控制。     

一种新型步进式管道机器人的设计与运动学研究

为增大管道机器人在管道内行程、提高其负载能力和自适应管径能力,设计了基于凸轮连杆组合机构的步进式管道机器人。凸轮机构实现周向伸缩运动,步进单元与凸轮伸缩机构协调运动实现步进运动。描述了该机器人的结构组成和行走机理,建立了数学模型和虚拟样机,ADAMS运动学仿真分析,结果表明,机器人步距99.55mm,步进速度3.78cm/s,步进运动速度平稳,加速度平缓,并具有一定的管径适应能力,该机构可以应用于其他类型管道机器人予以借鉴。     

基于STM32的管道机器人控制系统设计

设计了一种管道机器人控制系统,该系统通过STM32单片机控制,对垂直管道机器人进行相应的闭环控制,并且使机器人具备在管道内行走及检测的功能,希望能够为相关专业提供可以参考的理论依据。     

基于PMAC的码垛机器人模糊PID算法研究

为了提高可编程多轴运动控制器(PMAC)的控制精度和性能,设计了模糊PID控制算法.该算法应用在4自由度码垛机器人控制系统中,通过机器人电机在传统PID控制下与模糊PID控制下的位置阶跃响应实验和速度抛物线响应实验,利用电机的调节时间Ts、超调量Mp、上升时间T r、最大跟随误差M feer等数据证明模糊PID控制算法很好地改善了机器人控制系统的稳定性,提高了伺服电机的稳态性能和动态性能,改善了PMAC对4自由度码垛机器人的控制效果.     

电磁诱导式喷雾机器人导航控制设计

利用电磁感应技术对喷雾机器人的导航控制系统进行了设计,提出了一种基于PD控制的四轮独立驱动、实时跟踪诱导的控制算法.该算法能够使喷雾机器人在转弯时自动调整行走速度和路线.运行试验表明,算法程序稳定、可靠,满足了喷雾机器人的功能要求.     

管道机器人清淤装置设计与动力特性研究

为疏通城市排污管道,设计一种新型管道清淤机器人,为证明其清淤作业的稳定性和可行性,对清淤装置进行了动力学特性研究。建立该管道机器人三维模型,对其清淤装置进行原理分析; 对清淤盘模型进行运动学建模与仿真,并将MATLAB运动仿真曲线与ADAMS运动仿真曲线进行拟合,验证运动方程的正确性; 建立清淤盘动力学数学模型,并基于ADAMS 软件进行仿真,研究动力学正、逆问题,得到扇形盘的运动曲线和受力曲线。结果表明,运动方式和运动规律满足清淤方式为刮削—搅拌—过滤—推进—四位一体的清淤作业要求,动态性能稳定。     

步行康复机器人轨迹控制方法研究

为了满足神经受损患者步行康复训练需要,设计了以外骨骼助行腿为核心的步行康复机器人,其重要的要求是保证机器人的运动轨迹符合患者康复训练要求。为使机器人能模拟步态为患者提供康复训练,在合理的步态规划后对轨迹的控制方法进行了研究,在控制系统软、硬件平台上完成了步行康复机器人助行腿的两种轨迹控制方式(位置控制和速度控制)。通过实验验证了控制方式的可行性,满足了患者步态训练需要。同时实验结果表明,速度控制方式比位置控制方式更加适合步行康复机器人。     

面向不平地面的双足欠驱动步行稳定控制

为实现双足机器人在不平地面上的欠驱动步行,提出一种基于质心运动状态的稳定步行控制策略。考虑地面柔性,使用柔性接触模型描述“机器人足部地面”柔性接触,并通过解耦建模的方式建立了“机器人地面”前向与侧向耦合动力学模型。根据人类变速步行特征,提出基于机器人质心速度控制的步行控制策略,将三维步行解耦为前向和侧向的主从控制,通过控制质心位移实现质心速度控制,进而实现稳定步行。搭建三维欠驱动双足步行机器人样机,在地面高度变化不大于0.032 m的不平地面上成功实现了平均步行速度0.216 m/s、步幅为0.31倍腿长的欠驱动步行。试验结果表明,所提控制策略可通过质心速度控制来实现不平地面上的欠驱动稳定步行。     

基于CPG的六足步行机器人运动控制系统研究

根据CPG双层网络的特点,采用分层分布式系统架构研究制了一种机器人运动控制系统.其基于FPGA的星型总线,在保证通信速率的同时提高了系统抗干扰能力.在单足控制器中嵌入双NIOS完成CPG网络解算和电机运动控制.FPGA的灵活使用和外部3-H桥驱动的搭建,可以使单足控制器同时控制3个无刷电机并获得最小的体积.     

四足爬行机器人步态分析与运动控制

为了实现液压作动的四足步行机器人的稳定行走,根据运动稳定裕量原则规划四足机器人的直行步态,保证三足支撑机体时稳定裕量为100 mm;针对液压缸运动加速度突变导致机体冲击振动的问题,提出了利用S型曲线作为各自由度的运动位移控制规律的方法。按照JQRI00型四足步行机器人原理样机的结构建立了虚拟样机模型,应用仿真软件对所设计步态进行了仿真,分析了步态的运动学、动力学特征和位移控制方法的运动特征;在四足步行机器人原理样机上进行了试验,并将试验与仿真结果进行了比较。研究结果表明,所设计的机器人步态可行,保证了机器人具有较好的行走稳定性;将S型曲线用于位移控制,消除了液压缸运动加速度的突变,进一步提高了机体运行的平稳性。     

下肢外骨骼助力机器人关节驱动设计及试验分析

针对人体下肢关节特点与助行要求,设计了外骨骼机器人关节结构;通过ADAMS软件仿真,分析了外骨骼机器人水平助行过程中关节功率配置需求,根据关节需求设计了外骨骼电液伺服驱动系统;为满足外骨骼机器人对人体下肢关节助力及柔顺性要求,提出了基于关节误差估计的PID控制方法。详细介绍了外骨骼机器人下肢关节结构的运动形式与技术参数,优化配置了关节结构的运动范围与驱动行程,对该机器人进行了运动学分析并通过外骨骼的典型动作进行验证;划分了外骨骼助行过程中步态与关节驱动映射,给出误差估计与补偿PID控制的具体参数;分别从关节跟踪与助力功率的角度,量化分析、对比了基于关节误差估计与常规PID两种控制方法的助力指标参数。试验结果表明,所设计外骨骼关节与驱动系统可实现穿戴者助力行走;对比常规PID控制,抑制了关节驱动控制输出区间的不连续,改善了关节跟踪误差,提升了助力效果与柔顺性。     

双足机器人并联踝关节优化设计

通过对人的踝关节运动机理分析,设计一种新型的双足机器人踝关节并联机构。建立并联机构的参数化模型,并对该模型进行运动学和动力学分析,得出该并联机构的一阶影响矩阵、伸缩运动的驱动力与零力矩点(Zero moment point, ZMP)轨迹关系。由于实际双足机器人行走时踝关节驱动力矩与角速度差异较大,为解决双足机器人步态行走中踝关节的动力学不平衡特性,结合并联机构的运动特点,迭代计算优化并联机构的结构参数,使踝关节两个驱动元件的驱动功率峰值和速度趋于一致。进行双足机器人步行试验研究,结果表明,优化后的并联结构踝关节的驱动功率峰值是串联结构下功率峰值的50 %左右,降低驱动元件的功率设计要求。在满足双足行走时踝关节的运动性能要求下选择小功率的驱动元件,有利于减小关节的体积和质量,减小能耗。     

模块化多足步行机器人的运动控制系统研究

为解决机器人对复杂多变的环境适应性不强的问题，研制了模块化的多足步行机器人系统。针对模块化多足步行机器人的机构特点，设计并实现了一种位于机器人模块化控制体系底层的基于CAN总线的运动控制系统。采用微处理器、专用的运动控制和驱动芯片以及光电编码器实现了机器人关节的伺服闹环运动控制；采用CAN总线作为模块问的通信接口，有效地支持了多关节实时控制。提出了一种具有3层抽象结构特点的可扩展的软件体系结构，为运动控制系统提供模块化支持。实验验证了运动控制系统软硬件的可靠性和有效性。     

应用欧拉角表达步行机器人系统的机械模型

步行机器人作为一种载运工具适应地况能力强,结构复杂,运动控制难。实现类人型机器人动态行走,必须对机器人进行动力学建模、步态设计和稳定姿态控制算法设计。其中,数学模型的建立一直是一个机构学难题, 在类人型机器人研究中起着重要作用。讨论了应用欧拉方程建立步行系统的机械模型,提出了一些简化条件,然后用欧拉方程表达了构件的旋转和线运动及关节处的力矩模型,并在此基础上研究了定常步行时简化步行机器人的运动方程式,为进一步研究定常步行机器人甚至变步长机器人的运动学提供了又一理论工具。     

An optimal fuzzy-PI force/motion controller to increase industrial robot autonomy

This paper presents a method for robot self-recognition and self-adaptation through the analysis of the contact between the robot end effector and its surrounding environment. Often, in off-line robot programming, the idealized robotic environment (the virtual one) does not reflect accurately the real one. In this situation, we are in the presence of a partially unknown environment (PUE). Thus, robotic systems must have some degree of autonomy to overcome this situation, especially when contact exists. The proposed force/motion control system has an external control loop based on forces and torques exerted on the robot end effector and an internal control loop based on robot motion. The external control loop is tested with an optimal proportional integrative (PI) and a fuzzy-PI controller. The system performance is validated with real-world experiments involving contact in PUEs.