仿人机器人腰部机构的动力学建模、控制与仿真

本文介绍的仿人机器人具有差动腰部机构,它除了受自身的动力学影响以外,还受到手臂和车体运动以及外力、外力矩等对腰部机构关节力矩的影响.笔者利用高效牛顿-欧拉算法完成了仿人机器人的整体建模;在不考虑各关节间耦合运动的情况下,对整体动力学模型进行适当简化,得到了腰部机构的动力学模型.简化后的动力学模型既反映了机器人车体、腰部及双臂的动力学关系,又大大地减小了计算量,易于实现基于动力学的控制算法.基于动力学模型,给出了腰部机构PD伺服轨迹跟踪控制算法,并结合计算力矩方法用于补偿腰部机构两关节受到的力矩扰动.仿真分析表明,该控制方法可以明显提高腰部机构的位置跟踪精度,并提高仿人机器人的整体作业精度.     

气动技术与构型组合在机器人领域的应用

为解决类人型短小气动肌肉末端固定和无法同轴安装传感器的问题,影响气动机器人的精确建模和精确伺服控制,以及为了更加惟妙惟肖地采用气动元件进行仿生,以单关节、多关节气动肌肉、气缸构建基本构型的关节为基础,设计柔性冗余串、并、混联的仿人关节,单关节、多关节冗余气动肌肉与肌群结合的柔性机器人,单关节、多关节气缸并联构成的刚性机器人,气动肌肉、气缸与机构学结合组成的刚柔混合机器人,为气动机器人的设计提供新的思路。     

仿水黾机器人控制系统的研究与开发

研究一种利用昆虫水黾的划动机理来推进机器人在水上运动的仿水黾机器人的控制系统,其采用单片机为核心控制器,控制3个微小型电磁铁分别驱动机器人两单腿并联双滑块驱动机构,实现机器人的运动控制.进行了机器人控制思想研究和控制系统软、硬件开发,并在实验室环境下对水上行走机器人样机性能进行了实验研究,实验结果表明,设计的仿水黾机器人可以很好地实现在水面上前进、转弯等运动.     

仿壁虎机器人地壁过渡的步态规划

设计并研究了一种具有柔性多杆机构腰部和尾巴的仿壁虎机器人结构,通过对该机器人地壁过渡阶段研究,规划了一种仿壁虎机器人地壁过渡步态;并利用ADAMS对仿壁虎机器人进行了地壁过渡步态规划仿真;仿真结果表明:所设计的仿壁虎机器人结构是合理的,且地壁过渡步态规划方法是可行的。     

一种7DOF冗余手臂构形的运动学与动力学特性研究

冗余度机构具有高度的灵活性和避障能力,利用冗余自由度可以改善仿人机器人手臂的运动性能.以实现人体手臂的运动特性和操作灵活性为目标,研制了一种7DOF冗余仿人机器人手臂,根据冗余手臂的机构学特点,研究了手臂的运动学和动力学性能,并在工作空间、肘部关节的自运动能力以及手臂自重引起的关节重力矩等方面与其它两种典型的冗余手臂构形进行了比较分析.     

基于人体关节的七自由度仿人手臂设计与分析

根据人体关节特点,提出采用并联机构作为机器人手臂的各个关节。定义两种并联机构模块:正交三自由度球面并联机构3-RRR,用SS来表示;正交两自由度球面并联机构2-RR,用SU来表示。根据人手臂的关节的运动特点,采用模块SS作为手臂的肩关节,用模块SU作为手臂的肘关节和腕关节,串联起来设计了串并联七自由度手臂。定义了模块的输入角度和输出角度,得出了两种角度的数值关系。在此基础上对7自由度手臂进行了位置分析,通过仿真验证了其正确性。为控制系统的研究奠定了基础。     

一种新型机器人球面驱动关节模块工作空间的研究

提出基于3-RRR球面并联机构的新型机器人球面驱动关节模块,定义了其工作空间并提出了一种新的求解球面机构工作空间大小的算法.研究了机器人球面驱动关节模块工作空间与关节模块结构参数之间的关系,总结出了结构参数对工作空间影响的3个规律,为确定机器人球面关节模块结构参数提供了重要的参考价值.     

基于BP算法的六自由度并联机器人正运动学求解

利用六自由度并联机器人位置反解易于获得这一特性。把较难的六自由度并联机器人位置正解问题转化为应用位置反解结果作为训练样本进行学习，从而实现操作手从关节变量空间到工作变量空间的非线性映射，这样就能够较准确地求解并联机器人的位置和姿态。文中以Stewart型并联机器人为例，采用BP算法对其正解进行了求解，仿真结果表明该方法计算精度高，克服了数值解法的求解精度受初值影响较大的缺点。     

轮式移动宜人机器人技术研究

轮式移动宜人机器人项目研究的主要目的是开发自主式仿人机器人样机,探索先进的机器人理论和技术.轮式移动宜人机器人由正交轮式移动平台、腰部、躯干及头部和双臂组成,共21个自由度.整体结构包括:电源系统、机械系统、控制系统和传感系统.电源系统采用车载电池供电.机械系统包括变刚度结构,提高了机器人与人交互作业的安全性.控制系统分为中央协调层和执行层结构.传感系统主要实现关节位置检测、姿态检测、力检测和视觉.文章讨论了此机器人的研究进展.     

基于SolidWorks & SimMechanics对3 UPU并联机器人运动学仿真及控制

基于螺旋理论,对3-UPU型并联机器人运动特性进行分析,运用SolidWorks软件建立机构模型,通过模型转换接口技术实现3-UPU型并联机器人SimMechanics可视化建模。并进行模糊PID控制系统设计,结合可视化模型实现3-UPU型并联机器人系统仿真。通过与传统PID控制仿真对比研究表明:3-UPU型并联机器人模糊PID控制系统具有控制精度高、响应速度快、动态性能好等优点,为少自由度并联机器人的可视化和控制系统研究等方面奠定理论研究基础。     

多电机耦合驱动式仿人机械臂设计与传动特性分析

针对传统仿人机械臂载荷与自重比低的问题，提出一种多电机耦合驱动式仿人机械臂。根据人臂的运动特性，确定串联结构下的仿人机械臂构型，并将机械臂划分为肩关节模块、肘关节模块和腕关节模块。分析单电机驱动单关节的绳索传动特性，推导该模型下电机与关节的扭矩映射关系和转角映射关系。研究各模块中多电机耦合驱动多关节的电机布局和绳索绕线方式，解释各模块中多电机耦合后的工作原理，推导各模块中电机与关节的扭矩映射关系和转角映射关系。并通过实验验证各模块中映射关系的正确性，以及各模块关节的承载能力。结果表明：多电机耦合驱动方式在保证质量的前提下，可以有效提高各关节的承载力，为仿人机械臂的设计提供理论依据。     

基于SimMechanics的仿人机器人运动学仿真

利用Matlab／SimMechanics机构仿真工具建立了仿人机器人机构的仿真模型,并由模型图直观地观察仿人机器人的动态步行过程,求出了机器人躯体重心的角加速度和髋关节的扭矩变化图。建立了仿人机器人的瞬时状态的平面五杆机构运动模型,根据Kane法求解出了机构的动力学方程。在机构分析中应用SimMechanics仿真工具,为机械系统的仿真提供一种十分简便的方法。     

气动仿人柔性灵巧手工作空间分析与抓取实验

采用自主研发的气动柔性关节,仿人手外形研制了一种新型柔性灵巧手。该机械手为人手的1.5倍,每根柔性手指由两个气动柔性关节组成,通过调节关节内气压控制手指形变实现机械手抓取物体。利用三维运动捕捉系统和机械手气动实验平台进行了不同气压下柔性手指的运动学实验,分析了机械手工作空间,并进行了机械手抓取实验。实验结果表明:该机械手具有较好的柔性和物形适应性可实现多种抓取模式和完成不同类型物体抓取;五指握取时可抓持最大物体直径为220 mm,最小物体直径为50 mm,质量为1 kg的物品。     

人形跑步机器人的逆运动学分析

提出一种人形跑步机器人逆运动学的分析方法。由于机器人在跑步时存在一个双脚离地的腾空阶段,因此建立了惯性坐标系、参考坐标系和物体坐标系,用来确定机器人身体各个部分的相对位置。采用齐次坐标转换矩阵分析机器人质心和双脚轨迹与机器人各个关节角度、角速度、角加速度等的关系,并用Newton-Raphson方法根据机器人质心轨迹和双脚轨迹计算出各个关节的运动参数,完成逆运动学分析。并通过算例验证这种方法的有效性。     

带传动式仿人机械手抓取规划及稳定性分析

为提高仿人机械手抓取稳定性,根据目标物体的结构形状、尺寸大小及机械手位置姿态,合理规划仿人机械手与抓取目标间的抓取方式及接触点分布;通过分析手指与目标物体间接触类型的抓取状态力学模型,引入机械手抓取稳定性指标参数,建立机械手抓取数学模型,确定机械手抓取稳定性与抓取平面位置、手指与目标抓取物体接触点分布间的映射关系;通过仿真实验验证了:仿人机械手的抓取稳定性与机械手抓取平面离目标物体质心的距离有关,抓取平面越靠近目标物体质心,抓取稳定性越强,并在抓取平面与目标物体质心重合时达到最大,仿人机械手的抓取稳定性与抓取平面上手指和目标物体的接触点位置分布无关;该结论为后续仿人机械手的抓取控制规划提供了理论依据。     

仿人机器人国内外研究动态

重点介绍了日本仿人机器人的最新研究成果和研究方向，以及国内仿人机器人的研究现状。日本的大学和科研机构主要的研究成果有实用性仿人机器人ASIMO和娱乐机器人QRIO，其研究方向是如何避障和灵活运动，及如何与人协作和表达情绪。国内一些知名大学在实用性仿人机器人的研究上取得了进展，但其在关键技术的研究上与日本尚存在差距。     

基于OpenMv的类人机器人投篮系统设计

针对使用线性CCD作为图像采集模块的类人机器人图像获取时间长、效率低等缺点，设计一种基于OpenMv的类人机器人。类人机器人投篮系统设计首先完成软硬件设计，然后将采集到的图像转为HSV颜色模型，利用图像分割技术将目标与背景进行分割，进而计算质心坐标，最后通过专家控制策略输出得到相应的信号调整机器人的动作。实验表明：该系统具有较高的可靠性、适应性及有效性。     

基于坡口特征的相贯接头焊接机器人连续轨迹规划

针对海洋平台贴接式管道接头专用焊接机器人的运动控制模型进行了研究.设计了一种5自由度串联结构机器人,在较小的机器人本体尺寸及重量的前提下,满足机器人对工作空间及导管架空间狭小处安全避障的需要.建立了机器人正、逆运动学模型,针对该机器人带有两个同向转动关节特点,提出采用两步法求解机器人关节值;为保证焊接时关节运行稳定性,提出采用极限法求导各关节速度.结果表明,该机器人可以很好的满足管道相贯接头的自动焊接工作,所建立的数学模型可用于考虑坡口特征的相贯接头焊接机器人连续轨迹规划工作.