模块化变形机器人非同构构形表达与计数

提出一种新型链式可重构模块机器人平台,该机器人平台具有手动可重构和自动变形的特点,介绍一种三模块变形机器人样机。组成机器人的单个模块可以简化为由模块本体、连接臂和偏置关节组成。模块的数量可以根据实际工作的需要进行选择,模块间的连接具有规则连接和非规则连接两种方式;同时,由连接模块的偏置关节的运动,模块间的相对位置可以改变。由于模块连接方式的不同和模块间相对位置的变化,变形机器人具有多种非同构构形;为此,根据模块的物理结构和邻接关系提出了用构形矩阵来表达机器人结构的拓扑信息,并在仿真环境下进行等效描述;提出基于组合计数原理的递归算法,用于多模块变形机器人的非同构构形的计数,并根据构形矩阵的拓扑信息对构形进行评价。最后根据仿真结果给出了一种三模块变形机器人样机对称构形的设计示例,验证了算法的可行性。     

一种新型链式自重构机器人模块的设计

提出了一种新型链式自重构机器人模块的设计方法。该模块主要由移动机构、模块间的连接器、关节驱动机构、电力和驱动系统、通讯和控制系统以及感知系统组成,模块通过自重构后组成链式机器人,并能完成移动和越障的功能。对模块的设计主要采用了履带行走、形状记忆合金、谐波齿轮、传感器、集成控制芯片等技术,优化了模块的结构,提高了模块的性能。     

新型模块化可重构机器人系统

研制了一种新型模块化可重构机器人系统,机器人由许多结构和功能完全相同的模块相互联接组成,通过改变各模块之间的联接状态和相互位置关系,不需任何外界辅助,自动完成重构过程和整体协调运动:设计了模块的分离联接机构和单自由度立方体结构,模块结构兼具阵列式和串联式特点,可方便的实现重构运动和整体协调运动:上位机软件系统可通过交互方式设置各机器人模块的方位,可手工编写或自动产生可重构机器人各模块的运动序列,可对机器人可重构过程和整体构型的协调运动进行规划和仿真,并通过计算机串口对机器人进行实时控制。试验验证了机器人模块的分离／联接和模块协作基本功能和蠕虫构型、四足构型、履带构型三种构型的整体协调运动功能。试验表明:模块结构设计简单合理,控制容易,可以完成重构操作功能和整体协调运动功能。     

轮腿式机器人运动学分析及其步态规划

文中提出了一种可实现构型切换的轮腿式机器人，能根据地形的不同切换为不同的构型，且前腿末端可与夹取装置相结合，能够通过变换姿态构型将前腿用作机械臂，通过配合前臂关节与末端夹取装置协调运动以实现远程代替人工进行作业的功能；对轮腿机器人在运动过程中进行单腿的正/逆运动学分析；对轮腿机器人进行了CPG步态规划和可操作性仿真分析。结果表明：轮腿机器人运动平稳，前腿在混用为机械臂时可操作空间大，验证了可重构轮腿式机器人机械结构的可行性和合理性。     

一种可重构蛇形机器人的研究

提出了一种新型的可重构蛇形机器人机构。该机构主要特点是单关节结构模块化，具有可适应地面形状变化的柔性连接环节和类似于蛇腹鳞摩擦特性的机构底部，手动可重构，当单自由度关节轴线互相平行连接时，该机构可实现多种平面运动形式，当单自由度关节轴线垂直依次连接时，形成的蛇形机器人具有两自由度的关节，可进行多种空间运动。试验结果证实，该蛇形机构重量轻，控制简单，运动灵活，能够很好地仿生蛇的多种运动形式。     

混合型自重构机器人的空间构型描述

设计了一种新型的混合型自重构机器人,该机器人由呈三棱柱形的主-从式基本模块组成,每个主模块包括3个主驱动电机及齿轮减速装置,每个从模块包括2个从驱动电机及齿轮-齿条传动装置.基于基本模块的几何特征及空间转换矩阵,描述了该自重构机器人的4种基本空间构型,为机器人的自重构运动打下基础.     

模块化可重构外肢体机器人

针对单人无法独立完成的操作任务,需要额外辅助的需求,提出并研制了一种模块化、可重构的外肢体机器人,该机器人由多个结构、功能相同的基本模块单元串联组成。为了实现模块化外肢体机器人的模块连接配置与变形重构能力,分析了基本模块单元的结构、功能需求,根据需求设计了基于舵机驱动的模块单元。每个模块单元由两个楔形子模块共轴相互转动构成,形成一个转动自由度。设计了基于磁铁吸附的机械连接机构,可以实现两个模块间的快速连接与分离;提出了双排金属触点间隔错位连接方法,保证两个模块单元间实现可靠的电气系统连接。划分了双模块串联条件下4种不同的连接方位,得出了外肢体机器人的构型配置种类与串联模块个数关系。面向具有任意模块个数、不同连接方位的外肢体机器人,建立了基于虚拟转轴的模块化外肢体机器人通用正向运动学模型。对基本模块的转动能力、承载能力、快速连接能力以及外肢体机器人在焊接过程中,辅助操作人员夹持导线、递送电话等能力进行了试验,验证了所提出的新型模块化外肢体机器人的辅助能力。     

基于状态构形矢量和状态构形矩阵的可重构模块星球机器人构形

可重构模块星球机器人系统由母体和多个子机器人模块组成,单个模块可以独立运动和操作,多个模块可以重构组合成不同构形,模块采用非对称式轮手一体机构,具有姿态方位性和运动方向性,重构目的是组成在某种环境下更好地完成有向性运动的构形。基于此,提出矢量构形概念,将运动趋势方向和方位性融合到构形拓扑结构中。在模块矢量分析模型基础上,提出并构建状态构形矢量(State configuration vector, SCV)和状态构形矩阵(State configuration matrix, SCM),对非对称式单模块和整体构形的状态信息进行描述,同时支持预定义的数学变换操作,可以表达并触发模块的基础动作、构形重构。提出离散模块组合重构成目标构形的优化分析算法,通过实例仿真计算获得优化分析的选择结果。     

多运动模式机器人动力学建模及仿真

针对多运动模式机器人单个可变形腿动力学问题进行系统研究,利用Kane动力学分析方法,建立了机器人单个可变形腿的逆动力学模型;借助Maple软件进行仿真,结果表明所建模型的正确性和有效性,可用于单个可变形腿运动控制器的设计;分析了关节转动速度和转动加速度对驱动力矩产生的影响,并分析了各关节驱动力矩中惯性力矩、向心力矩、哥氏力矩及重力矩所占的比例,分析结果有助于进一步规划机构的运动,优化机构设计和选择适当功率的电机。     

一种新型自重构模块机器人的设计和运动策略

设计了一种运动类型为网格型、运动空间为三维、被称为M—Cubes的新型自重构模块机器人，介绍了单个模块的硬件设计。M—Cubes模块由一个中心体和6个可独立旋转的连接面组成，中心体内部的驱动电机通过减速器、锥形齿轮、带轮、离合器来驱动6个连接面的转动及每个连接面上销的伸缩。在对模块进行恰当描述的基础上，给出了一种利用驱动函数的分布式控制方法。最后，利用Java 3D对变形运动进行了仿真，验证了该变形方法的可行性和有效性。     

物流机器人机械手臂自动化控制系统设计

利用传统方法控制物流机器人机械手臂时,存在不同机械手臂关节角度控制时间长及控制误差大的问题。为此,设计了一种新的自动化控制系统。首先,通过设计上位机软件和下位机软件接收工作人员发出的控制命令,从根本上提升机械手臂自动化控制精度;然后,在系统硬件中设计了 PLC 模块、自动化功能模块及报警功能模块,完成机械手臂自动化整体控制。应用该系统后,对机械手臂不同关节角度的控制时间及控制误差展开测试,实验结果验证了该系统具有控制准确性高和时效性高的优势。     

手臂康复机器人的动力学分析

介绍的手臂康复训练机器人可用于因受外伤或疾病造成的手臂运动障碍患者.它可以实现水平面和竖直面的轨迹运动,具有主动和阻尼2种工作模式,能够对肩关节、肘关节进行训练.分析了机器人的结构及其动力学模型,将人的手臂简化为圆台型刚体,关节简化为绕固定轴转动的回转关节,采用Matlab/Simulink的Mechanics构建了包括康复训练机器人和人的手臂在内的整个康复训练系统的动力学模型,仿真结果验证了动力学模型的有效性.     

具有关节柔性和臂柔性的机器人操作受限物体的动力学建模

针对具有柔性关节和柔性臂的机器人操作受作业环境约束这种情况,基于绝对坐标建立了系统的动力学模型。根据物体与作业环境的约束关系,推导出系统的正动力学模型。以期望的被操作物体的轨迹和所期望的物体与环境的作用力为边界条件,推导出了系统的逆动力学模型。对于给定的任务,所提出的逆动力学模型可求出柔性机器人的理想输入。而所提出的正动力学模型可用于数值仿真。通过对具有三柔性关节和三柔性臂的机器人臂进行仿真,验证了该方法的有效性。     

工业机器人机械本体模块化设计

基于工业机器人机械本体模块化设计思想,以机器人的结构功能分解为基础,创建了标准机械结构模块库并实现了模块的自动装配。将人体手臂参数作为标准结构模块缩放的内置参数,建立了尺寸不同、功能相似的扩展结构模块库。基于边界曲线的几何特征对工作空间进行了类型划分,并依据关键点位置分析法及改进的CAD变量几何法将工作空间求解模块化。将坐标系模块库生成的D-H参数作为各模块的共享数据,实现了运动学与工作空间的自动求解。以库卡机器人KR6-2的正运动学与工作空间模块化自主求解为例,对比分析软件运行结果与理论计算结果,验证了该方法可满足机器人柔性化自主设计需求。     

自由浮动柔性双臂空间机器人系统的动力学控制

基于假设模态法对柔性连杆的变形进行近似描述,采用拉格朗日方程分析柔性臂的动力学关系,忽略高阶弹性振动模态,根据柔性双臂和物体的动力学方程、末端约束关系以及系统的动量守恒原理,推导一种自由浮动柔性双臂空间机器人闭链系统的动力学模型。针对系统柔性状态的高频特征,采用奇异摄动法将该系统模型分离为慢变和快变两个子系统,对二者分别采用滑模变结构控制和非线性PD控制,保证刚性、柔性状态输出达到要求,由此得到的组合控制使得系统能较好地跟踪期望的轨迹,抑制弹性振动,并减小对本体运动的影响,内力、内力矩均能平稳跟踪期望值。最后进行数字仿真,验证上述方法的有效性。     

一种稳定跳跃型机器人的设计与空中姿态控制

针对现有跳跃机器人跳跃时空间姿态旋转问题,从结构与运动控制上入手,设计一种稳定跳跃型机器人。基于弹簧倒立摆跳跃模型在平行四杆机构的基础上设计了一种新型八连杆机构,并利用离合式行星轮结构设计了一种靠卷绳实现能量蓄积与释放装置。利用拐点圆及最小残差理论对末端轨迹进行了近似直线优化处理,并建立了跳跃结构的运动学、动力学模型,进行了跳跃仿真测试。设计了基于模糊PID控制理论的双闭环反馈控制系统,并搭建联合仿真模型从结构动力学及姿态控制系统上进行整体仿真测试。结果表明机器人具备结构上的稳定起跳基础,并通过空中姿态控制实现跳跃后稳定姿态的保持,整体实现了稳定跳跃。     

Kinematic design of an anthropomimetic 7-DOF cable-driven robotic arm

In this paper, an anthropomimetic design of a 7-DOF dexterous robotic arm is proposed. Similar to the human arm, the arm consists of three sequentially connected modules, i.e., a 3-DOF shoulder module, a 1-DOF elbow module, and a 3-DOF wrist module. All three arm modules are also driven by cables in order to mimic the driving scheme and functionality of the human muscles. This paper addresses three critical design analysis issues, i.e., the displacement analysis, the tension-closure analysis, and the workspace analysis. A closed-form solution approach is presented for the forward displacement analysis, while the inverse displacement solution is obtained through an efficient optimization algorithm, in which both task-decomposition and dimension-reduction techniques are employed. An effective tension-closure analysis algorithm is also formulated based on the theory of convex analysis. The orientation workspace for the 3-DOF shoulder and wrist modules are then analyzed using a new equi-volumetric partition scheme based on the intuitive Tilt-and-Torsion angle parameterization. An optimization approach is then investigated for the kinematic design of the three joint modules, in which the design objective is to maximize the matched workspace of the robotic arm joints with that of the human arm joints. A research prototype of the 7-DOF cable-driven robotic arm has also been developed in order to demonstrate the anthropomimetic design concept. With a lightweight structure of 1 kg, the cable-driven robotic arm can carry a payload of 5 kg and has motion repeatability of±2.5mm.     

应用超声电机的多关节机器人的设计与分析

主要设计了一个由超声电机驱动多关节机器人手臂。这种电机单位质量的转矩高,在低速下有大转矩输出,且不产生电磁干扰。利用ADAM S软件平台模拟机构的运动学和动力学,整体性能预测,结构模型优化,利用仿真结果重新设计手臂结构,为物理样机设计制造提供依据。     

锅炉热交换器承压管管外检测机器人末端执行器的研究

介绍了一种适用于火电站锅炉承压管管道外检测机器人的新型柔性臂及其定位机构，该柔性臂占用体积小，工作空间大，能够深入到管道组细长缝隙内检测，它的最大特点是能够进行刚柔转化，详细叙述了其转换原理，建立了柔性臂各关节的力学模型；定位机构提高了柔性臂的稳定性，为安装各种检测设备提供了一个可靠的操作平台，对该机构的可行性、工作原理和避障能力进行了分析，为设计和控制提供了理论基础。