双轮驱动球形机器人的动力学建模与仿真

针对用于电缆通道环境监测的双轮驱动球形机器人,基于拉格朗日方程实现其动力学建模.通过驱动车轮的转角、球形机器人两自由度位置坐标、驱动车体的姿态角直观的计算出系统的动能和势能;考虑球形机器人位置坐标、驱动车体姿态角、球形机器人运动方向角和左右驱动车轮的转角的约束关系,选择左右驱动车轮的转角、球形机器人的移动距离、驱动车体的姿态角作为广义坐标;考虑驱动车轮和球壳、球壳与地面的摩擦得到系统的广义力和耗散能量,建立了能够描述双轮驱动球形机器人在二维水平面运动、驱动车体姿态的多体动力学.最后,在Matlab/Simulink环境中开展了模型的仿真分析,仿真结果表明所建模型的有效性.     

一种新型球形机器人虚拟样机的设计及运动仿真

提出了一种采用双齿轮齿条传动机构的新型球形机器人设计方案,该方案在球形机器人同一直径方向上安装两组齿轮齿条传动机构作为内部驱动装置,论文详细介绍了该球形机器人的机械结构,并通过受力分析对其直线运动和转弯运动的运动原理进行了理论分析。联合使用SOLIDWORKS和ADAMS,建立了球形机器人的虚拟样机并进行运动仿真。受力分析和运动仿真结果验证了该球形机器人结构的可行性,为物理样机后期制作提供依据。     

仿蚯蚓蠕动微机器人牵引与运动控制

为进入人体腔道开展作业,开发了一种直径6mm的仿蚯蚓多关节蠕动微机器人样机．机器人使用十字万向节连接直线驱动器,在弯曲腔道中能自适应改变自身姿态．基于Preisach模型和偏转模型,提出了形状记忆合金偏转机构的前馈控制方案,头舱控制最大偏转误差为2.6°．基于新型蠕动原理,建立了牵引模型,给出了有效驱动的条件．对机器人的牵引力、运动速度、在不同摩擦系数介质表面上的运动能力、头舱姿态进行了试验．结果表明,机器人的爬坡能力依赖于机器人和运动表面间的摩擦系数,新型蠕动原理能提供较大的牵引力,合适的驱动频率下可以得到最大的运动速度．     

基于蚯蚓原理的多节蠕动机器人

介绍了多节蠕动机器人的机体构造和运动原理，建立了机器人运动模型并进行了分析. 阐述了该机器人系统的控制组成和软件设计. 讨论了机器人在不同倾角橡胶管道内的驱动性能试验.进行了机器人温度试验及转弯性能试验.结果表明：该微小型机器人运行可靠、平稳，控制方便，有一定的爬坡能力；连续工作时机器人温度不超过35℃；可通过大于36mm的弯曲半径.该研究为非结构环境狭小空间及人体消化道探察机器人的研制奠定了基础．     

绳驱动上肢外骨骼康复机器人穿戴机构设计

为了降低绳驱动并联外骨骼的结构不稳定性所带来的运动学建模误差,改善外骨骼对不同穿戴者的适应能力,提升外骨骼的穿戴舒适度,提出了一种新型穿戴机构并应用于绳驱动并联上肢外骨骼康复机器人CURE-7.首先,介绍了一种绳驱动外骨骼康复机器人,该外骨骼具有特制的穿戴机构,兼具绳驱动设备和并联机构的优点;然后,设计穿戴机构的欠驱动穿戴模块和柔性肘关节,建立外骨骼的运动学模型并对关键参数的影响进行了研究;最后,开发了穿戴机构样机并安装于外骨骼上,进行了健康人的运动轨迹跟踪实验和手臂穿戴外骨骼时的受力实验以证明穿戴机构的有效性.实验结果表明,通过采用新的穿戴机构,受试者肘关节前屈运动轨迹跟踪标准误差平均降低了约41％,肩关节外展运动轨迹跟踪标准误差平均降低了约30％,穿戴压力最大值降低了约23％,不同部位的压力方差也有较大幅度的降低.     

一种球形移动机器人爬坡运动的自适应滑模控制

针对一种球形机器人爬坡运动的位置控制问题,提出了一种自适应滑模控制方法.基于对实际系统的合理简化,利用拉格朗日方法建立了球形机器人爬坡运动的动力学模型,并将动力学模型表示为状态空间形式.基于系统的状态空间模型,将整个系统划分为两个子系统,并分别定义各子系统的滑动面.将其中一个子系统的滑动面引入到另一个子系统的控制设计中,采用李亚普诺夫稳定性理论设计了滑模控制律,并通过自适应律在线调节其切换增益.从理论上分析了闭环控制系统的稳定性,并通过数值仿真和样机实验验证了所提控制方法的有效性.     

一种气动肌肉拮抗驱动机器人关节的类人运动控制方法

为了实现气动人工肌肉拮抗驱动机器人关节系统的类人运动控制,针对该系统严重非线性的特点,本文将其控制问题视为一个非线性最优控制问题,根据人体手臂关节运动的最小加加速度模型设定系统的最优控制性能指标,首先采用扩张状态观测器将机器人关节模型线性化得到积分器串联标准型,然后在线性化模型基础上设计最优控制律,使机器人关节具有与人手臂关节相似的无约束运动轨迹.仿真结果表明,采用本文算法,机器人关节能实现大运动范围(0～120°)的类人运动,关节运动轨迹对负载的改变(1 kg～5 kg)不敏感,并且关节运动具有较好的抗扰动能力.在机器人关节实验平台上通过实物实验验证了算法的有效性,并进一步讨论了控制器参数的设计规则.本文算法需要整定的参数只有2个,适用于气动肌肉拮抗驱动关节的类人运动控制,能够满足协作机器人在本质安全性、运动柔顺性以及类人运动模式等方面的要求.     

多个油缸构成的多层曲柄机构

这是一种使工业机器人的手臂转动的方法。它可以不通过齿条和齿轮,把多个油缸所得到的直线运动变为手臂旋转的驱动力。这种方法,可以改进利用油缸驱动时回转角小的缺点。 能使手臂自由俯仰的回转体安装在基座上,油缸安装在U形叉上,U形叉固定在转台上,使回转体可以自由旋转。活塞杆的顶端装在回转体突出的U形叉上可自由转动,这就构成了活塞曲柄机构,     

双驱动球形机器人的结构设计与分析

本文设计了一种球形机器人,它是通过重心驱动和角动量驱动来实现球体的滚动。机器人的动力部分主要由两个驱动电机和一个转向电机组成,三个电机处于同一水平面上。通过两个驱动电机实现了球形机器人前后向的运动,通过转向电机实现左右转向,包括原地的自转。     

基于三连杆动力学模型的仿人机器人站立平衡控制

为了解决仿人机器人抗扰动站立平衡控制问题,提出了一种三连杆动力学模型作为仿人机器人的简化模型,该模型充分考虑了机器人腿部、身体和手臂的连杆分布质量,相比于传统的线性倒立摆模型或者飞轮倒立摆模型具有更高的精确性.基于这种模型,设计了仿人机器人的站立抗扰动平衡控制器.首先将仿人机器人模型简化为三连杆动力学模型,通过参数辨识方法获取结构化的参数,并经过线性化处理,将复杂的非线性动力学模型线性化.然后采用线性二次调节器(LQR)设计机器人的平衡控制器.实验在仿人机器人KONG-II上进行,通过将机器人踝关节设置成具有一定阻尼特性的欠驱动状态,来实现三连杆动力学模型的形式.实验结果对比了机器人采用两连杆动力学模型和三连杆动力学模型时的抗外力扰动性能,验证了本文方法的有效性和鲁棒性.     

Dynamic modeling and step-climbing analysis of a two-wheeled stair-climbing inverted pendulum robot

ABSTRACT

In this study, the control of a two-wheeled stair-climbing inverted pendulum robot and its climbing motion are analyzed and discussed. The robot adopts a state-feedback controller with a feed-forward constant to stabilize the body and achieve step-climbing motion. The control parameter is considered based on the dynamic model motion on a flat surface and the static model of motion on the step. For climbing stairs with a narrow step tread, a constant torque is applied to reduce the space required for recovering the body stability after climbing. The stability of the robot is numerically analyzed by analyzing the orbital stability of its limit cycle. The stability analysis shows that the control method can achieve a stable stair-climbing motion. The effectiveness of the control method is demonstrated through an experiment. The result indicates that the robot can climb the stairs, and the required time for climbing a single step is approximately 1.8?s.     

Development of a stair-climbing mobile robot with legs and wheels

This paper deals with the development of a stair-climbing mobile robot with legs and wheels. The main technical issues in developing this type of robot are the stability and speed of the robot while climbing stairs. The robot has two wheels in the front of the body to support its weight when it moves on flat terrain, and it also has arms between the wheels to hook onto the tread of stairs. There are two pairs of legs in the rear of the body. Using not only the rorational torque of the arms and the wheels, but also the force of the legs, the robot goes up and down stairs. It measures the size of stairs when going up and down the first step, and therefore the measurement process does not cause this robot to lose any time. The computer which controls the motion of the robot needs no complicated calculations as other legged robots do. The mechanism of this robot and the control algorithm are described in this paper. This robot will be developed as a wheelchair with a stair climbing mechanism for disabled and elderly people in the near future. This work was presented, in part, at the International Symposium on Artificial Life and Robotics, Oita, Japan, February 18–20, 1996     

基于传感器信息融合的移动机器人自主爬楼梯技术研究

机器人自主爬楼梯是移动机器人完成危险环境探查、侦察、救灾等任务需要具备的基本智能行为之一.分析了楼梯的多样性和履带式机器人爬楼梯固有的不稳定性导致机器人爬楼梯工作的复杂性,描述了带前导手臂的履带式移动机器人爬楼梯的步骤,简要介绍了利用超声波、视频摄像头和激光扫描测距仪信息来感知楼梯和判断机器人与楼梯相对位置的算法,最后提出了一个基于传感器测量值可信度的信息融合方法进行楼梯参数感知和行驶方向计算的机器人自主爬楼梯的控制系统结构.     

Sensing and gait planning of quadruped walking and climbing robot for traversing in complex environment

In this paper, a general study on improving adaptability of quadruped walking and climbing robot in complex environment is presented. First, a sensing system composed of range and gyroscope sensors in a novel arrangement is developed. By combining the sensing signals and the internal state of the robot, the surface geometry of the environment is sufficiently reconstructed in real-time. Secondly, a planning algorithm for the robot to overcome the reconstructed environment is conducted. Based on the reshaped surface, the planning algorithm not only provides the exact body trajectory and foot positions but also the adaptability of the robot in a specific environment. A method to improve the adaptability of the walking and climbing robot is also introduced. Thanks to the adherent ability of the robot, the center of gravity of the robot is allowed to move outside the support polygon to increase the reach-ability of the next swing leg. Finally, the effectiveness of the proposed approach is verified by the performances of the experiments in complex environments using a quadruped walking and climbing robot named MRWALLSPECT IV.     

基于DSP技术的爬壁机器人吸附控制系统设计

壁面吸附是爬壁机器人的基本功能之一,其吸附程度直接影响爬壁机器人的稳定性和移动速度;为此,设计了基于DSP技术的爬壁机器人吸附控制系统;选择爬壁机器人传感器装置,加设DSP数字信号处理器,设计爬壁机器人吸附控制器;在硬件结构的支持下,根据爬壁机器人的组成结构和工作原理,构建相应的数学模型;在该模型下,利用DSP技术计算爬壁机器人吸附力;通过爬壁机器人在壁面环境下的受力分析结果,确定爬壁机器人安全吸附条件;以吸附控制器作为执行机构,实现爬壁机器人的吸附控制;选择负压爬壁机器人作为测试样机,通过系统测试表明,在瓷砖、木板、玻璃三种壁面环境下,与两个对比系统相比,应用此次设计系统得出爬壁机器人吸附力的控制误差降低了2.04 N,倾覆风险系数降低了0.29,具有较好的吸附控制效果。     

自主攀爬式曲面作业机器人设计研究

以国家大剧院椭球壳体的清洗为应用背景,针对曲面高空作业的特点,设计了首台复杂曲面自主攀爬式机器人样机.机器人由攀爬机构!移动机构、清洗机构、俯仰调节机构组成;在对机器人总体结构和结构原理详细介绍后,对机器人运动功能实现进行了讨论.控制系统采用基于CAN总线的网络结构,以P80C592单片机为核心构成分布节点控制器,并着重对检测系统进行了研究.机器人在国家大剧院的真实环境下进行了作业实验,结果表明样机系统的设计组成原理合理,机械结构和控制系统方案成功可靠.     

Gait optimization of step climbing for a hexapod robot

RHex-style hexapod robot is a type of legged robot which can perform multiple moving gaits according to different applications, due to its simple structure and strong mobility. However, traversing high obstacles has always been a big challenge for legged robots. In this paper, gait optimization of a hexapod robot is proposed for climbing steps at different heights, which even enables the robot to climb the step 3.9 times of the leg length. First, a previous step-climbing gait is optimized by adjusting body inclination when placing front legs on top of the step, which enables RHex with different sizes to perform the rising stage of the gait. Second, to improve the climbing heights, a novel quasi-static climbing gait is proposed by using the reversed claw-shape legs to reach the higher step. The nondeformable legs are used to raise the center of mass (COM) of the body by lifting the front and rear legs alternately so that the front legs can reach the top of the step, then the front and middle legs are lifted alternately to maneuver COM up onto the step. The simulations and dynamic analysis of climbing steps are utilized to verify the feasibility of the improved gait. Finally, the step-climbing experiments at different heights are performed with the optimized gaits to compare with the existing gaits. The results of simulations and experiments show the superiority of the proposed gaits due to climbing higher steps.     

在球面运行的万向轮式移动机器人运动学模型的建立

爬壁机器人技术的不断发展,使研制可以吸附在大 型球面工作的轮式移动机器人成为可能．本文采用坐标变换方法,针对工作在球面的万向轮 式移动机器人建立运动学模型．其建模方法对于其它类型的在球面工作的轮式移动机器人也 同样适用．     

基于姿态角的轮腿机器人驱动控制系统研究

在城市楼道环境中,尤其在面对楼梯等障碍时,五星形轮腿式机器人具有越障能力强、控制简单的优势。为防止机器人在攀爬楼梯时出现较大偏航倾斜,通过仿真软件ADAMS和Simulink中建立了五星形轮腿式机器人的整车动力学模型和PID速度控制模型。结果表明,该联合仿真控制模型能有效、快速地控制机器人速度,减小偏航角度,降低了研究和开发成本。将该驱动控制系统移植到原机器人系统中,并分析了机器人在本控制系统控制下攀爬楼梯等特殊情况下的稳定性能。