仿生爬壁滑翔机器人样机的设计与实验研究

针对多足攀爬机器人运动速度低、稳定性差、回收困难等问题,对飞鼠等四足攀爬滑翔生物体态构型和运动机理进行了分析,提取了飞鼠滑翔控制的波动步态模型,提出了一种多模式运动模型。构建了爬壁机器人模型和样机,并在仿生爬壁机器人的基础上初步构建了滑翔机器人样机;利用流体仿真软件FLUENT,确定了滑翔机器人升阻力系数、俯仰力矩与俯仰角之间的关系,以及稳定滑翔速度等参数;通过滑翔实验对仿真实验结果进行了验证。研究结果表明:滑翔机器人可以通过翼膜形状改变其气动特性,实现俯仰、滚转、偏航等姿态调整,维持滑翔过程的稳定性和有效性。     

四足仿生机器人斜面行走的运动研究

以岩羊为仿生对象,开发出一款适用于山地行走的四足机器人,重点研究其斜面运动。首先对三段式的腿部结构进行运动学建模,然后对机器人的斜面直线行走做出规划,最后进行仿真验证。仿真结果表明,机器人可以在斜面上保持连续平稳地运动;给出了一种通过控制身体俯仰角来实现斜面连续平稳运动的方法,为四足机器人实现山地环境的运动提供了参考。     

基于拉格朗日方程的四足攀爬机器人动力学分析

为了增强高空电网维修作业的安全性与稳定性，设计出一种以猩猩为原型适用于电网攀爬的仿生四足机器人，通过SolidWorks进行三维建模。基于自主设计的新型仿生脊椎、夹持力更大的机械爪以及关节式减速机，使得这种四足攀爬机器人具备一定的伸缩躯干功能，提高了机器人在桁架中的避障能力及高空攀爬的运动能力。利用MATLAB Robotics工具箱研究四足机器人机械臂的运动特性，通过拉格朗日方程对运动的机械臂建立计算难度较低且物理意义明确的动力学方程。对工作的机械臂进行运动学和动力学仿真分析，得到机械臂各关节角度、加速度、角加速度和力矩曲线随时间的变化的过程，且各项数据收敛在正常范围内，满足机器人在高空桁架中行走的安全性与稳定性，验证了方案的可行性。     

四足机器人在直行和转弯下的步态规划研究

针对四足机器人的直行和转弯运动,以爬行步态为基础,分别对其进行了步态规划.提出了协调旋转步态的概念并用于原地转弯中;找出直行步态与原地转弯步态的足端轨迹公共点,通过该点实现了步态的快速迁移并用于四足机器人的弯道转弯运动中;根据对四足机器人的结构设计,建立了四足机器人的虚拟样机;提出了一种新的评价准则——角度余量准则(SA准则),对规划的步态进行稳定性评价,从而找出最优步态.搭建实验平台进行了实验,结果显示,针对直行和转弯的步态规划合理、可行.     

四足机器人“盲爬”阶梯策略设计与实现

针对四足机器人爬阶梯多采用基于零力矩点的静步态运动规划方法，存在攀爬速度慢、稳定性差的问题，设计了一种四足机器人快速“盲爬”阶梯策略。采用针对阶梯地形的轨迹规划摆动腿运动，基于广义动量法检测摆动腿与阶梯的磕碰事件，对磕碰事件进行了有效处理。根据本体感受器估计阶梯部分参数，结合稳定裕度概念规划机身的期望轨迹，采用模型预测控制对轨迹进行跟踪控制，保证了机器人快速稳定地攀爬阶梯。通过四足机器人实验平台验证所提方法的正确性，当机器人名义腿长为0.360 m、阶梯台阶高度为名义腿长的30.56%时，平均攀爬速度可达0.60 m/s(无量纲速度Fr达0.32)。     

基于地面反力检测的四足马机器人适应步行法

为适应国内外对四足马机器人进行的广泛研究,根据四足马机器人的结构模型和步行稳定性分析,对其适应步行法进行了研究。首先,介绍了具有12个运动关节和球形脚部的四足马机器人结构模型,并求出了其运动学反解;其次,在分析步行稳定性和检测地面反力的基础上,提出了一种四足马机器人适应步行的实现方法;最后,通过自制的小型四足马机器人进行了适应步行实验。实验结果表明,所提出的四足马机器人适应步行法具有可行性。     

风电叶片检测机器人设计与运动仿真研究

为了降低风电叶片检测维修的成本,综合设计制作了一种可以在叶片表面攀爬检测的六足机器人。根据叶片参数确定了机器人整体尺寸,采用SolidWorks软件建立了机器人整体模型,设计了腿部吸附结构。通过静力分析,建立了机器人吸盘吸附的数学模型,以保障机器人行走的安全稳定性。分析了机器人整体行走步态,设计了攀爬行走迈步过程并设计了其关节控制曲线,通过ADAMS软件仿真模拟了机器人在叶片表面的攀爬行走。最后,设计了机器人整体控制系统,并制作样机进行了机器人攀爬实验。仿真与实验结果表明,所设计的机器人结构可以稳定实现攀爬运动,吸盘吸附系统安全可靠,实验结果与仿真的行走步态一致,验证了以攀爬步态行走的可行性。     

一种间歇式行走方式

提出一种间歇性的行走方式,可用于对行走连续性要求不高的机器人,其特点是控制顺序简单,稳定性高.在机身质量不大的情况下,用较高的迈步频率运动,可近似的较连续的运动.同时只要单足的步距增大,就可以提高前进的平均速度.以四足机器人为例,展开说明,并讨论运动过程中的稳定性和控制问题.     

用于物体捕捉的四足步行机器人的运动误差模型

开发具有手脚融合功能的四足步行机器人可以加快四足机器人实际运用。介绍了一种具有手脚融合功能的新型四足步行机器人的结构。在机器人的机体上,安装有图像捕捉系统,用于引导机器人完成对目标物的抓取。描述了机器人抓取状态下的运动关系,建立了用于物体捕捉的四足步行机器人的运动误差模型。在对抓取状态逆运动学分析的基础上,讨论了图像捕捉系统误差与机器人的工作臂参数误差之间的关系。给出了详细的计算公式。并以一个实例说明了分析过程。该模型可用于机器人抓取状态下的运动控制与误差补偿。     

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。     

仿生四足机器人的设计与运动步态分析

基于四足生物的身体和运动形态,设计了仿生四足机器人。介绍了这一仿生四足机器人的结构,并对腿部结构进行了分析。同时进行了包括直线行走和定点转弯在内的运动步态分析,确认了仿生四足机器人的运动稳定性。     

基于GPL模型的仿生爬壁机器人路径规划

为了研究基于GPL模型的仿生爬壁机器人路径规划问题,提出了一种适合GPL模型的路径规划方法。首先对基于GPL模型的爬壁机器人进行了简单介绍,通过对GPL模型进行运动学、静力学分析,研究了该构型攀爬运动时机器人路径对攀爬能力的影响;其次,基于足端力最优得到了GPL模型腰关节的运动曲线,实现了路径规划;最后,采用ADAMS仿真验证了分析结果的正确性。结果表明,该方法可以解决基于GPL模型的爬壁机器人路径规划问题,同时研究结果也揭示了壁虎等生物原型采用摆动爬行而不是直线爬行的运动合理性。     

一种四足马机器人的结构模型及其步行控制

参照马的生理结构,对四足马机器人的一种结构及其步行控制方法进行了研究。为验证该方法的有效性,首先,根据仿生原理设计出具有12个运动关节和4个球形脚部的四足马机器人结构模型,并求出了其运动学反解;其次,基于提出的结构模型,设计并实现了四足马机器人行走步态和对角小跑步态,并对步行稳定性进行了分析。步行实验表明,所提出的四足马机器人仿生结构及两种步态的实现方法具有可行性。     

大直径缆索检测蛇形机器人单环攀爬研究与实现

提出了一种可用于大直径桥梁缆索检测的单环攀爬蛇形机器人。对其控制方法进行设计和优化,使所设计的机器人对圆柱体有良好的攀爬能力。蛇形机器人采用正交关节,对蛇形机器人控制函数法进行分析,提出一种闭合单环翻滚攀爬运动控制函数。根据单环攀爬的特点,设计攀爬辅助装置,实现了对大直径缆索的攀爬运动。     

小型化四足机器人的运动学分析及仿真研究

为降低四足机器人的工作能耗,提高其在恶劣环境下的有效工作时间,提出了一种小型化四足机器人的设计方案。首先,说明了该四足机器人的运动方式,详细介绍了其控制系统、减速传动机构、分解传动机构、间歇分配机构和腿部机构;然后,针对该小型化四足机器人的简化模型进行了运动学分析,将运用Pro/E软件建立好的小型化四足机器人模型导入ADAMS软件中,再基于ADAMS平台进行了三维四足机器人模型的运动仿真;最后,重点分析了该四足机器人双侧腿部进行步态切换时的行走状态,总结出了其速度曲线突变的原因。研究结果表明,该小型化四足机器人可以实现稳定的运动,进而验证了机器人设计方案的可靠性。     

四足机器人斜面运动规划及控制研究

研究四足机器人在倾斜地面的运动情况对实现其在非规则地形下的稳定运动具有重要意义。通过对四足机器人的运动学分析,规划斜面运动方式。根据仿生学原理与人类经验设计一套模糊控制系统,控制四足机器人相应关节角度,减少机身滚转角的幅度,增加运动的稳定性。Adams与Matlab的联合仿真实验表明,所规划的运动方式能满足四足机器人斜面运动要求,所设计的模糊控制系统能有效提高四足机器人斜面运动的稳定性。     

一种木材检测机器人设计和运动学研究

针对农林业领域复杂的木材检测环境,提出了一种新型木材检测机器人,并对其机械机构方案和控制方案进行了设计。该机器人通过提升机构的伸缩运动实现对木材的竖直攀爬运动;通过夹紧机构中推杆的伸缩实现对树干的夹持作用;同时开展了攀爬机构和旋转检测机构的运动学分析,最后进行了一系列实验验证,结果表明该木材检测机器人能实现向上攀爬、向下攀爬、连续攀爬和旋转检测功能,且木材检测图像清晰无阴影区域出现。     

阶梯攀爬机器人结构及控制方案设计

针对阶梯攀爬机器人工作过程中的楼梯攀爬及避障问题,对阶梯攀爬机器人机械结构、机器人阶梯攀爬方式、差速驱动方式下机器人运动方程进行了分析,对阶梯攀爬机器人行驶过程中障碍物检测、避障控制策略进行了研究;基于模糊控制原理,建立了阶梯攀爬机器人模糊避障规则,提出了一种基于MC9S12XS128单片机以及超声波传感器的阶梯攀爬机器人障碍物检测、避障及楼梯攀爬控制系统,并利用所研制的阶梯攀爬机器人样机进行了机器人避障、楼梯攀爬测试。测试结果表明,基于变形轮与行星轮相结合的阶梯攀爬机器人机构可以实现阶梯攀爬机器人避障及攀爬楼梯的功能,控制系统可以准确、迅速判断障碍物以及楼梯所处位置,并依据所建立模糊避障规则完成避障及楼梯攀爬任务。     

四足机器人的爬-站运动模式转换研究

为了提高四足仿生机器人的运动协调性和环境适应性,提出了一种基于仿生原理和零力矩点(ZMP)稳定判据的控制方法,实现了四足机器人的爬-站运动模式转换运动。首先,根据正常人由爬姿到站姿的躯干和四肢运动过程,规划了四足机器人"Babybot"爬-站运动模式转换的过程;然后,基于静平衡原则,利用多变量目标函数寻优的方法,确定了机器人爬-站运动模式转换过程中的关键姿态;最后,基于ZMP稳定判据,通过线性插值实现了机器人关键位姿之间的平稳过渡,并对其爬-站运动模式转换进行了动力学仿真,结果显示"Babybot"机器人用时9.5 s完成了从四足爬行到双足站立状态的平稳转换。研究结果表明,提出的基于仿生原理和ZMP稳定判据的轨迹规划方法在实现四足仿生机器人爬-站运动模式转换方面具有一定的有效性,也为四足仿生机器人实现高性能运动提供了一定的参考依据。     

组合式陆空两栖机器人的运动规划与仿真

为了遂行灾害救援和野外侦查等复杂作业任务,本文设计了一款将四足步行机器人和四旋翼飞行器有机组合的陆空两栖机器人。该机器人既能根据作业需求进行结构分离,以实现陆、空多领域的侦查,同时四旋翼飞行器又能自由起落在四足步行机器人躯体上进行组合作业,为多用途侦查提供了更多的可能性。四足步行机器人足端轨迹采用贝塞尔曲线,机器人机身质心规划成按直线运动,可保证机器人步行运动的流畅性、稳定性与灵活性。仿真验证的结果表明该组合式陆空两栖机器人运动特性十分优异,具有推广应用价值。