四足磁吸附爬壁机器人稳定性与动力学分析

动力学分析是机器人评估运动性能以及实施运动控制的关键,由于四足爬壁机器人的多运动链结构和闭链约束,运动学分析较为困难.为此,本文提出以虚功原理求解四足磁吸附爬壁机器人的稳定性与动力学.求解动力学方程,利用优化理论设计驱动力二次规划方法,通过最小功率原则计算关节驱动力,并验证其合理性.设计仿真实验,通过PID控制,采用M...     

新型爬壁机器人越障机理及能力研究

爬壁清洗机器人是在危险的高层建筑环境下替代人进行清洗工作的机械,其可靠性和稳定性尤为重要. 在分析传统爬壁清洗机器人弊端的基础上,针对玻璃存在的窗框障碍物,设计一种四旋翼摆臂式爬壁清洗机器人.机器人基于履带式底盘结构,通过旋翼旋转产生推力提供壁面行走所需的吸附力,并设计相应的机器人摆臂变形机构,增加机器人的壁面越障能力. 从运动学角度分析机器人越障时的运动机理,建立机器人壁面攀爬的运动学模型. 在RecurDyn的Track LM模块环境下,对机器人越障过程进行运动学仿真,得到驱动轮的驱动转矩、旋翼推力随时间变化曲线;对Y轴重心位置和加速度变化曲线分析,机器人在越障过程中能够保持良好的平稳性,论证了四旋翼摆臂式爬壁清洗机器人的越障能力和越障过程中的平稳性.     

四足机器人 Trot 步态规划与仿真分析

为了提高四足机器人对角步态的稳定性,缓解对角步态摆动相两条腿不能同时着地的问题,从 足端轨迹优化、足端初始位置选择这两方面进行步态规划。通过 D-H 法建立四足机器人运动学模型,几何 法求运动学逆解。基于零冲击原则优化足端轨迹函数,选取 8 种不同的初始足端位置进行仿真。从足端冲击 力、机体位移、俯仰角、滚动角、偏航角的变化等方面分析四足机器人运动的稳定性。对比仿真结果表明： 采用优化后的足端轨迹、优选后的足端初始位置的四足机器人,对角步态运动更为稳定。     

四足步行机器人逆运动学分析

对四足机器人进行了步态规划,并推导出其逆运动学方程,基于MATLAB建立其运动学模型,以末端轨迹作为输入曲线,得到各关节运动变化曲线.然后,将关节运动变化曲线作为机器人虚拟样机的驱动信号,可使机器人按照规划步态进行运动.研究结果验证了理论分析的正确性,为多足步行机器人运动控制分析提供了理论基础.     

多足机器人规则步态实现方法研究

步态规划在移动机器人运动学研究中具有基础和重要的作用,本文首先对四足机器人的着地点进行设计,并分别对各腿的摆动顺序进行几何规划,利用虚拟样机,对四足机器人的单足轨迹进行设计,使得机体能够维持重心稳定并向前运动;其次,本文构建了四足机器人支撑机构的运动学逆解模型,排除奇异解,基于支撑机构的数学建模与求解对四足机器人的前行运动进行了规划;最后,实验结果表明,规则步态规划方法可实现四足机器人稳定可靠地运动.     

一种四足磁吸附爬壁机器人运动学分析及仿真

为实现爬壁机器人在不同曲率的铁基壁面上可靠吸附和自由运动,设计了一种能够全方位运动的四足磁吸附爬壁机器人。首先运用修正的Grübler-Kutzbach(G-K)公式对机器人进行了自由度分析。然后采用D-H法建立了机器人行走腿的连杆坐标系,分析了行走腿的正逆运动学。接着将机器人视为并联机构,分析了运载平台的正逆运动学,给出了逆运动学的解析解,并使用了一种基于牛顿法的求解含有冗余方程的数值算法得到了正运动学的数值解,建立了完整的机器人运动学数学模型。为了验证所建数学模型的正确性,使用Matlab根据所建数学模型编写计算程序,在Matlab和Adams中分别做了相同的正逆运动学仿真进行对比验证。最后使用螺旋理论得到了机器人的雅克比矩阵,结合Grassmann线几何理论分析了机器人的正逆运动学奇异位形,并验证了非冗余驱动时的一种正运动学奇异位形,给出了避免奇异性发生的方法。自由度分析结果表明运载平台具有六个自由度,能够完成空间全方位运动,机器人的结构设计合理;Matlab和Adams的仿真结果一致并且正逆运动学能够相互验证,说明了所建的数学模型的正确性,为机器人的运动控制、轨迹规划提供了理论基础;奇异性分析得出了机器人的奇异位形,为避免机构奇异性的发生提供了方向,利用逆运动学奇异性实现了无功耗静止。     

双足爬壁机器人三维壁面环境全局路径规划

为求解双足爬壁机器人在三维壁面环境中的全局路径,提出了一种结合壁面可过渡性分析、全局壁面序列搜索和壁面过渡落足点优化的规划方法. 首先,为得到双足爬壁机器人在壁面间过渡的可行性,通过机器人可达工作空间与壁面简化处理将其转化成几何图形相交测试问题. 然后,用图搜索方法找出全局壁面序列, 再以路径最短为目标建立数学模型优化求解壁面序列中相邻壁面间最优过渡落足点,最终得到最优全局路径. 以双足爬壁机器人W-Climbot为对象做仿真验证,仿真结果表明该方法在5至20个壁面构成的三维环境中,机器人在不同壁面间的可过渡性分析与全局壁面序列搜索过程平均耗时只需2 ms,求解得到优化全局路径的比例为95%,平均耗时均在4 s以内. 该方法可以为双足爬壁机器人提供优化的全局路径并为其下一步的运动规划奠定基础.     

基于2-SPR/RUPR并联机构的四足步行机器人轨迹规划与步态分析

本文提出一种基于2-SPR/RUPR并联机构的四足步行机器人.用改进复合曲线法规划了机械腿足端行走点轨迹.在四足步行机器人的足端行走点沿前进方向的加速度曲线为正弦函数,沿竖直方向的加速度曲线为分段函数的情形下,通过对前进方向、竖直方向加速度曲线两次积分得到足端轨迹曲线.由足端轨迹曲线变化规律可以得到其运动过程无突变点,足端可以实现无冲击抬腿与着地.仿真实验表明足端速度与加速度曲线与理论曲线一致,验证了理论计算的正确性.使用ZMP方法,通过对比分析机器人在运动过程中的重心调整量以及稳定裕度值得到最优步态.该四足步行机器人具有运动平稳且灵活的特性,适用于田垄等崎岖路面上需要大的移动步幅来运输重物的应用场合.     

气动柔性六足机器人定半径转弯实现方法与稳定性

针对气动柔性关节仿生六足机器人提出基于三角步态和重心轨迹跟踪法的定半径转弯步态规划方法。采用预设机器人步态转角和转弯半径逆向建立转动过程中机器人重心轨迹模型,获得机器人足部的落足点位置,并进行了机器人重心轨迹仿真,研究了重心规划轨迹与理想轨迹的偏离误差。根据静态稳定裕度模型建立了最大步态转角模型,并以此作为判据分析机器人定半径转弯步态规划的稳定性。利用三维运动捕捉系统进行了机器人定点和定半径转弯性能实验,获得了不同步态转角和转弯半径下机器人的转弯性能,验证了转弯步态规划方法的正确性。该机器人动作灵活,可实现任意半径转弯,当规划步态转角小于最大步态转角时机器人转弯过程行进平稳。     

液压驱动四足仿生机器人的结构设计和步态规划

论文主要介绍了山东大学机器人研究中心研发的液压驱动四足仿生机器人。目的是设计能够适应复杂地形环境,具有高动态、高负载能力的液压驱动四足机器人。基于骡／马的生物仿生,构造了具有被动结构、基于液压驱动的四足机器人腿关节结构,满足了机器人稳定控制和高负载能力的需要。基于四足机器人的运动学和逆运动学模型,规划了机器人稳定的对角小跑动步态。实际液压驱动四足机器人平台的实验验证表明了机器人结构设计的合理性和步态规划的有效性。     

基于Matlab的模块化机器人运动学仿真

针对六自由度模块化机器人,使用D-H法对机器人建立模型,进行运动学分析,完成机械臂精确控制和轨迹规划.通过Matlab软件构造仿真模型,实现机械臂实体模型的线条化表示,简化了机器人三维结构建模的过程.重点进行关节运动学机理分析,利用Matlab软件的矩阵运算能力强大的优点,对模块化机器人的正、逆运动学问题进行求解,以及对轨迹规划进行仿真,分析机器人运动规律,为机器人运动控制提供理论依据.     

基于运动发散分量的四足机器人步态规划

为了使四足机器人在出现较大的轨迹跟踪误差时仍然可以稳定运动,提出基于运动发散分量（DCM）的在线步态规划方法. 将四足机器人抽象成三维线性倒立摆模型（LIPM）,根据离线规划的落脚点,应用DCM方法论递推出保持DCM有界的参考轨迹;在满足步幅约束、零力矩点（ZMP）约束的条件下,步态规划运用宽松初始状态模型预测控制在线优化出可快速收敛到参考轨迹上的落脚点以及期望状态轨迹;全身运动控制器通过构建二次规划优化出满足运动约束、动力学约束、摩擦力约束等条件下跟踪期望状态轨迹的力矩. 通过仿真验证以上算法,仿真结果表明：与经典模型预测控制相比,宽松初始状态模型预测控制可以承受较大的轨迹跟踪误差,四足机器人可以在出现较大的轨迹跟踪误差时以troting步态稳定运动并尽快收敛到离线规划的轨迹上.     

面向在轨测量任务的伴飞机器人三维仿真系统

为了避免空间伴飞机器人末端探测器与自身载体或者与待测航天器之间发生碰撞,在实际进行在轨测量之前,需要对其末端探测器轨迹规划方法进行充分的三维图形仿真.针对现有空间机器人地面仿真系统不能可视化的问题,设计了一种基于虚拟现实技术的三维仿真系统.首先,建立了基于Open Inventor的空间机器人三维实体几何模型,并构建反应空间机器人逻辑位置的三维仿真场景.然后,基于数据传输技术和构建的三维仿真场景建立了空间机器人可视化三维仿真系统.最后,建立空间机器人运动学模型并对空间机器人末端执行器跟踪的圆弧轨迹进行规划.仿真结果表明,利用该系统可直观得到空间机器人的运动过程以及空间机器人载体的运动特性,有利于空间机器人的轨迹规划和控制算法的仿真研究,可避免因不当轨迹规划而造成空间机器人发生碰撞.     

基于MATLAB的6R焊接机器人运动学的仿真研究

为了更好地控制焊接机器人进行精准的焊接作业,以ABBIRB1600型焊接机器人为研究对象,利用MATLAB分析了它的正运动学、逆运动学和轨迹规划问题。基于标准D-H法对其进行建模,建立正运动学方程;在正向运动学的基础上,通过矩阵求逆的方法生成多组非线性方程并得到机器人各关节角度变量的8组解;在关节空间内对该机器人进行运动轨迹仿真,得到各关节轴的角位移、角速度和角加速度随时间变化的平滑曲线,仿真结果证明了所建立的运动学方程的正确性以及该机器人参数的合理性。为后续焊接机器人的轨迹规划研究提供了必要的理论基础和正确的运动学模型。     

一种粗糙壁面爬行机器人的设计与实现

为实现针对粗糙壁面的低噪声爬行机器人,对生物足部特性探讨研究,分析了一种粗糙壁面爬行机器人的机械结构及其运动学原理,利用仿生四杆机构设计主体爬行机构,足尖采用锋利的爪钩结构,单足由多足趾组成,足趾为具备局部自由度的弹性结构,对粗糙墙壁面具有自适应性,设计完成粗糙壁面爬行机器人的样机,并深入分析足尖切入粗糙壁面角度对攀爬可靠性的影响.最终通过实验分析,验证了爪钩的足部结构设计、材料选择的合理性.     

有并联脊柱的四足机器人步态规划

为了增加足式机器人的腿部运动范围和吸收地面冲击力,在刚性躯体四足机器人的基础上,设计3-RPS并联机构作为机器人的脊柱.建立有脊柱四足机器人的运动学模型,得到脊柱关节的周期性与质心位置的关系.在对角步态的基础上,利用脊柱偏航方向的自由度,规划了脊柱扭转对角步态.采用Hopf振荡器,建立耦合中枢模式发生器（CPG）网络输出步态曲线.通过与刚性躯干四足机器人的对比仿真和实验可知,主动脊柱的加入使机器人运行过程中的俯仰波动降低45.79%,矫正了偏航位置. 脊柱关节的周期性转动不会引起质心位置的突变.脊柱波动与肢体摆动间的协调,使得有脊柱四足机器人具有更优的运动性能.     

基于ADAMS的四足机器人运动仿真研究

作为工业机器人的一个主要研究分支,多足机器人具有很强的环境适应性和运动灵活性,正在日益受到重视。应用三维建模软件UG建立了四足机器人的模型,导入到虚拟样机分析软件ADAMS中生成虚拟样机模型,并对四足机器人进行了步态规划,利用MATLAB计算得到机器人关节运动轨迹,导入到ADAMS中,模拟了机器人的实际运动状态,得到其爬行轨迹。利用虚拟样机进行仿真为多足机器人步态规划的研究提供了一种良好的试验方法。