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.     

2自由度铰接车体车辆越障偏移饱和控制

针对2自由度铰接车体车辆直线越障偏移问题,建立车辆越障运动的动力学模型.以后车体绕z轴的角速度、沿y轴速度和前车体相对后车体的横摆角速度作为被控量,建立误差运动学模型,对误差系统进行稳定性和能控性分析.由于净转向力矩有上限,采用反步法设计系统的抗饱和控制器,对运动偏移控制中的液压转向机构输出饱和现象进行抑制.通过计算得到了在偏移控制过程中液压转向执行机构的净输出力矩随时间变化的曲线.结果表明:加入抗饱和控制器后,通过前后车体间的转向液压系统控制前后车体相对角速度,车辆越障运动时的y向偏移误差在5 s后收敛至0,前后车体夹角、后车体进方向的偏角也随时间逐渐收敛至0,车辆沿直线路径行进,证明抗饱和控制算法能有效地消除越障偏移误差.     

巡线机器人越障状态下动力学建模及控制器设计

为了提高机器人越障时的自主性和平稳性,通过对机器人单臂悬挂时整体绕线偏转模型的分析,以越障臂为研究对象,建立了越障臂的动力学方程.在此基础上,设计了基于状态变量反馈的控制律.然后以越障臂运动平稳及能耗最小为约束构建了系统最优控制器的性能指标.最后利用Matlab软件搭建仿真环境,以状态变量开环控制律为比较对象,对机器人从特定初始状态调整到稳定状态的过程进行了仿真分析.结果表明:所提出的最优控制器可使机器人运动更迅速,控制效果优于开环控制律.     

BH-1型月球车的运动学和动力学研究

为研究松软土壤下BH-1型六轮月球探测车原理样机的运动性能和越障性能,对原理样机的运动学和动力学进行了理论分析.通过推导BH-1型原理样机车体和车轮的运动学约束关系,研究车轮的前向滑移、转向角滑移及侧向滑移对样机运动学的影响;鉴于月球表面松软的砂质土壤条件,对样机的车轮力学情况进行分析,进而建立基于凯恩方程的机器人动力学模型;利用ODE(open dynamics engine)三维动力学仿真软件对样机的越障过程进行仿真演示.仿真结果证明,BH-1具有优秀的运动性能和越障性能.     

一种多关节履带式机器人自主越障运动规划

为提高矿难搜索机器人的自主运动能力,建立了其翻越垂直障碍的运动学模型,并且对其翻越垂直障碍的能力进行了分析,提出了一种基于嵌套人工鱼群算法的机器人自主越障运动规划方法.采用三层四组人工鱼群算法削弱4个自变量之间的耦合作用,并且利用一种快速随机搜索方法缩小关节角度的搜索范围,从而实现了满足关节角度变化最小这一优化指标的机器人越障逆运动学求解的要求.MATLAB的仿真实验证明:该方法相对传统算法可以利用更少的人工鱼数目在较少的代数内有效地得到机器人越障中每一步骤的最优关节角度值,从而为机器人的控制提供依据.利用仿真结果对机器人进行了双单元模式的自主越障运动规划实验,实验结果表明机器人能够顺利实现越障.     

腿履复合机器人自主越障分析与动作规划

本文提出基于质心坐标公式和机器人运动学的质心运动学模型,通过此模型可获取机器人在越障过程中质心变化情况,从而分析机器人越障性能,自主规划机器人越障动作.并且建立稳定裕度角及俯仰角度与障碍高度关系的求解方法,在此基础上,进行基于最大稳定裕度的越障动作规划.最后通过实验验证了基于质心运动学模型和稳定裕度的自主越障性能分析及动作规划的正确性.     

六足仿生机器人越障步态方法研究

在分析六足昆虫运动原理的基础上,提出了一种适合六足仿生机器人越障爬坡的一种步态.针对该机器人需要爬坡的要求对步态进行设计,并且从理论上对提出的"多边形步态"进行了可行性分析.在仿真软件中建立了六足机器人虚拟样机,动态模拟了采用该步态的六足仿生机器人的越障运动.指出利用该种越障步态原理设计思路所确定的机器人具有很好的稳定性以及特殊地形适应能力.     

一种新型四臂巡检机器人机构设计与运动分析

为满足大跨度输电线路对巡检机器人结构尺寸、爬坡性能以及越障性能等方面的要求,从人爬树运动研究中得到启示,设计了一种新型四臂式巡检机器人。首先,通过探索人爬树过程中运动姿态特点,介绍了机器人的机构构型和2种典型障碍物的越障方法。其次,给出了机器人机构的主要尺寸,推导了机器人的运动学方程,对机器人爬坡和越障运动性能进行了分析,以验证机构设计的可行性。最后,在虚拟样机平台上进行了运动仿真实验。结果表明该机器人同时具备较强爬坡能力和跨越单挂点等复杂障碍物的能力。     

多运动态可重构轮履复合式机器人机械设计

针对复杂的室外地形特征,结合轮式、履带式移动机构的运动优点,提出并研制一种可重构的具有多种运动模式的轮-履复合机器人.该机器人由控制单元、两个相同的可重构车轮、翻转机构和车体组成,具有轮式、履带式、翻转式3种运动模式.轮式工作形态,机器人为两轮机器人,运行速度快,可全方位运动;履带工作状态,机器人可以适应砾石地、沙地、草地等多种复杂地形,具备较强的越障能力;翻转工作状态,履带轮整体翻转,可跨越栏杆等垂直障碍.机器人轮-履转换由车轮内部的并联四连杆机构实现,可根据地面特征选择运行模式,根据障碍类型选择越障方式.在建立运动学和力学模型的基础上,结合数字仿真方法对结构进行了参数化研究,此设计方法优化了转换机构的运动轨迹,降低了对驱动电动机的性能要求,提高了电动机的使用效率.试验表明,机器人可通过调整自身机构以合理的运动模式通过沙地、草地等路面环境,攀越阶梯和栏杆等复杂障碍,具有良好的环境适应性和越障性能,验证了该移动平台系统设计的合理性.     

可变形履带机器人跨越台阶的动力学分析

针对各种灾难过后复杂的地理环境,设计了一种具有平行四边形结构的可变形履带机器人.为了计算机器人在运动过程中的电机驱动力和地面支持力,对机器人上台阶过程进行了运动分析,利用牛顿欧拉方法建立了其跨越台阶的动力学模型,并对其运动稳定性进行了实验.实验结果表明,机器人能够根据运行环境采取不同的运动方式,具有很强的越障能力,适用于崎岖山路、瓦砾及楼梯等复杂环境.此研究可为机器人的运动控制提供借鉴.     

Dynamics model of underwater robot motion control in 6 degrees of frccdom

In order to analyze underwater robot control system dynamics features, a system 6-DOF dynamics model was founded. Underwater robot linear and nonlinear hydrodynamics were analyzed by Taylor series, based on general motion equation. Special control system motion equation was deduced by cluster of inertial items and non-inertial items. For program convenience, motion equation matrix format was presented. Experimental principles of screw propellers, rudders and wings were discussed. Experimental data least-square curve fitting, interpolation and their corresponding traditional equation helped us to obtain the whole system dynamic response procedure. A series of simulation experiments show that the dynamics model is correct and reliable. The model can provide theory proof for analyzing underwater robot motion control system physics characters and provide a mathematic model for traditional control method.     

并联6-SPS机器人动力学分析

并联 6-SPS机器人是一种特殊结构形式的机器人 .通过对其动力学问题进行探讨 ,给出了并联6-SPS机器人系统的动能、惯性张量、惯性力的矩阵表达形式 ,利用动力学普遍方程建立了运动控制方程 ,得到了机构 6个液压缸的驱动力和上平台所受广义力之间的关系式 ,并进行了计算机仿真计算 ,为并联机器人的结构设计和动力控制提供了依据 .该分析方法简明、实用 ,公式形式整齐 ,便于编程计算 .     

Robot motion control in mobile environment

With the problem of robot motion control in dynamic environment represented by mobile obstacles, working pieces and external mechanisms considered, a relevant control actions design procedure has been proposed to provide coordination of robot motions with respect to the moving external objects so that an extension of robot spatial motion techniques and active robotic strategies based on approaches of nonlinear control theory can be achieved.     

基于神经网络的移动机器人路径规划

针对移动机器人在部分环境信息已知情况下的路径规划问题,运用神经网络动态路径最优算法,研究了基于传感器信息的在线路径规划方法.基于扩展卡尔曼滤波的定位方法融合了多个与机器人状态及环境相关的信息,提高了定位精度.首先建立动态的工作空间信息,基于神经网络的路径规划算法完成机器人的路径规划,根据路径点集运动趋向来调节小车移动,完成了导航的任务.对算法的性能和效率进行了分析,实验表明该方法在障碍物的信息未知的情况下,执行速度快.     

非平坦地形下移动机器人航迹推测方法研究

精确可靠的航迹推测是实现移动机器人自主导航的一个极为关键的环节.针对一个3 摇杆6驱动轮的移动机器人实验平台,本文提出了其在非平坦地形下的航迹推测方法.通过运动机构的分析,获得了移动机器人自身的位姿及运动参数.基于非平坦地形下运动机构间的刚体约束,建立了机器人的运动学模型.采用编码器、光纤陀螺仪和倾角传感器等测量机器人的动态参数信息,依据其运动学模型实现非平坦地形下的航迹推测、仿真,并分析验证了航迹推测方法的有效性,从而提高了移动机器人自主导航的定位精度.     

非平坦地形下移动机器人航迹推测方法研究

精确可靠的航迹推测是实现移动机器人自主导航的一个极为关键的环节.针对一个3摇杆6驱动轮的移动机器人实验平台,本文提出了其在非平坦地形下的航迹推测方法.通过运动机构的分析,获得了移动机器人自身的位姿及运动参数.基于非平坦地形下运动机构间的刚体约束,建立了机器人的运动学模型.采用编码器、光纤陀螺仪和倾角传感器等测量机器人的动态参数信息,依据其运动学模型实现非平坦地形下的航迹推测、仿真,并分析验证了航迹推测方法的有效性,从而提高了移动机器人自主导航的定位精度.     

柔顺关节并联机器人固有频率分析

为了解含有片簧式柔顺关节的并联机器人振动特性,基于含有片簧式柔顺关节的并联机器人动力学方程,建立了频率方程,并对系统固有频率在机器人运动过程以及工作空间的变化情况进行分析,同时对理论轨迹、软件仿真轨迹与名义轨迹的差值进行幅频特性分析来说明理论计算结果和软件仿真结果的正确性,也相互验证了频率方程和幅频特性分析方法的正确性。     

Impacts of flexible obstructive working environment on dynamic performances of inspection robot for power transmission line

The rigid-flexible coupling dynamic modeling and simulation of an inspection robot were conducted to study the influences of the flexible obstructive working environment i.e. overhead transmission line on the robot＇s dynamic performance. First, considering the structure of the obstacles and symmetrical mechanism of the robot prototype, four basic subactions were abstracted to fulfill full-path kinematic tasks. Then, a multi-rigid-body dynamic model of the robot was built with Lagrange equation, whil~e a multi-flexible-body dynamic model of a span of lin~ was obtained by combining finite element method （FEM）, modal synthesis method and Lagrange equation. The two subsystem models were coupled under rolling along no-obstacle segment and overcoming obstacle poses, and these simulations of three subactions along different spans of line were performed in ADMAS. The simulation results, including the coupling vibration parameters and driving moment of joint motors, show the dynamic performances of the robot along ftexibile obstructive working path： in flexible obstructive working environment, the robot can fulfill the preset motion goals; it responses slower in more flexible path; the fluctuation of robot as well as driving moment of the corresponding joint in startup and brake region is greater than that in rigid environment; the fluctuation amplitude increases with increasing working environment flexibility.     

漂浮基空间机器人姿态与末端爪手协调运动的反演滑模控制

讨论了载体位置无控、姿态受控情况下,具有外部扰动的漂浮基空间机器人系统的控制问题。结合系统动量守恒关系及拉格朗日方法,建立了漂浮基空间机器人的运动Jacobi关系及系统动力学方程。以此为基础,借助于反演设计方法,设计出空间机器人载体姿态与机械臂末端爪手协调运动的滑模控制方案。此方案可有效地减少控制系统的在线计算时间,更能满足空间机器人这一时变系统控制的实时、在线要求。数值仿真结果证实了该控制方案的有效性。