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.     

轮-履式移动机器人履带转向运动

针对室内外不同工作环境对移动机器人的结构有不同的要求,本文设计了一种的模块化的轮-履式移动机器人,描述了该轮-履式移动机器人纯轮式、纯履带式及轮履混合式等不同的运动模式;基于该机器人模块化的履带式结构特性,依据刚体平面运动理论,分析了该机器人的转向运动条件;基于转向阻力矩模型,建立了该轮-履式移动机器人完成履带式转向运动的约束方程。仿真和实验证明,此种轮-履式移动机器人地形适应能力强,在履带运动模式下,采取大的转向半径及小的转向比可有效减少机器人的转向阻力矩,能很好地完成转弯运动。     

轮-履混合式移动机器人爬坡运动研究

室内外不同环境对移动机器人有不同的运动要求,不同结构的移动机器人也具有各自的运动性能。设计了一种轮-履混合式移动机器人,描述了该轮-履混合式移动机器人不同的运动模式;针对不同的运动环境,实现纯轮式运动、纯履带式运动及腿式运动的相互转换;基于机器人的结构特性,分析了该机器人的爬坡能力,采用稳定锥方法,建立了该轮-履混合式移动机器人完成横向、纵向爬坡的约束方程。实验证明,此种轮-履混合式移动机器人地形适应能力强,具有较强的爬坡能力,在履带运动模式下的爬坡能力可以达到25°。     

基于AH P-模糊综合评价法的轮履复合型搜索机器人性能评价及其软件开发

针对中国在地震搜救机器人评价方面的研究尚浅,首先,介绍轮履复合型搜索机器人的运动模式,构建了一套性能评价指标体系,并制定了指标的详细测试标准,为实际测试提供参考依据。其次,根据指标多层次、多因素且定量与定性相结合的特点,提出应用AHP-模糊综合评价法对轮履复合型搜索机器人评价。第三,基于构建的性能评价指标体系与AHP-模糊综合评价法,提出了一套完整的轮履复合型搜索机器人的综合评价体系。第四,基于该评价体系开发了一套用于轮履复合型机器人性能评价的软件。该软件可管理机器人数据、专家数据、指标体系和评价标准,并可根据专家打分和实测数据得出评价结果。最后,通过实例验证了该评价体系和软件的有效性。结果表明：该轮履复合型搜索机器人的综合性能处于中等水平。     

基于柔性化工作的可重构机器人系统设计

根据柔性化作业的需要,设计了一种新型的可重构机器人模块系统。先按功能要求对可重构机器人模块进行划分,并设计了各模块相应的机械结构。然后基于可重构机器人的模块特性,设计了单模块的控制系统,并且重构后的机器人控制系统采用分布式控制结构。最后进行了机器人的运动实验,结果验证了系统的可行性。     

基于柔性化工作的可重构机器人系统设计

根据柔性化作业的需要,设计了一种新型的可重构机器人模块系统。先按功能要求对可重构机器人模块进行划分,并设计了各模块相应的机械结构。然后基于可重构机器人的模块特性,设计了单模块的控制系统,并且重构后的机器人控制系统采用分布式控制结构。最后进行了机器人的运动实验,结果验证了系统的可行性。     

可重构星球探测机器人

中科院沈阳自动化研究所研制成功“可重构星球探测机器人”．并通过了国家验收．“可重构星球探测机器人”由车体和三角履带轮组成．车体为主机器人．每个轮子都是1个子机器人．子机器人上还连有1只机械臂．可根据星球具体环境进行“变形组合”。当子机器人的“手”抓住主机器人后．就成为主机器人的轮子．多个子机器人协调运动．就可完成与其他火星车相同的运动。     

新型自重构机器人钩爪式连接机构

分析了自重构机器人重构和运动过程中连接机构的功能和作用,设计了一种新型钩爪式连接机构。该机构在机器人运动过程中为相邻模块提供可靠的连接,在重构过程中可迅速完成相邻模块的连接/断开。连接机构由微型直流电机、主动钩爪连杆结构和被动连接基板组成,具有模块连接对中功能,连接后机构自锁,无需电机力矩保持,节省能量。分析了该连接机构的工作原理、对接条件和力学特性,并进行了实验研究。结果证明:该连接机构具有较好的性能,并且在一定的几何误差下仍能完成连接。     

履腿复合式移动机器人的轨迹跟踪控制与实现

利用Backstepping控制算法实现具有差速转向特征的履腿复合式移动机器人的轨迹跟踪控制。提出基于Backstepping方法的机器人轨迹跟踪控制总体方案;在完成机器人运动学建模的基础上,设计基于Backstepping方法的轨迹跟踪控制律。利用该跟踪控制算法实现了履腿复合式移动机器人进行直线与圆形两种轨迹跟踪的实验验证,并与传统的PID轨迹跟踪控制算法进行对比实验。实验结果表明,基于Backstepping方法的轨迹跟踪控制律能够更快速有效地进行轨迹跟踪,具有更好的控制性能。     

模块化机器人的双输出CPG网络调相运动控制

为了增强模块化机器人的灵活性,以及对其多模式运动进行更简单有效地控制,结合阵列式和串联式自重构机器人的特点,设计基于万向式关节的双自由度UBot模块,并根据两个关节之间的相互抑制关系,结合生物学的中枢模式发生器(CPG)运动控制原理,设计具有双输出的CPG网络调相运动控制器.通过调整CPG间的连接权重以及每个CPG中两组输出的关系,调解运动控制信号间的相位差值,有效地控制UBot模块化机器人的整体协调运动.应用这种控制方法控制了模块化机器人的3种运动模式:四足运动、蠕动和多节虫运动,在ADAMS仿真环境下进行了运动仿真实验,并在UBot模块化自重构平台上分别进行了3种构型的实体运动试验.实验结果验证了双输出CPG调相网络对模块化机器人运动控制的有效性和实用性.     

巡检机器人自主充电对接控制方法

为保证轮臂复合式巡检机器人与太阳能充电基站充电座能准确和可靠自主充电对接,提出一种基于位置关系粗定位、视觉伺服精定位、以及压力传感器接合反馈的自主充电对接控制方法.通过感知机器人所处地线坡度信息,将安装在机器人压紧机构的充电插头运动至安装在悬垂C型挂板底端中心部位的充电座附近;根据图像空间充电座中心棱边与成像区域中心线距离来表征图像特征的变化,设计充电精定位伺服控制律,采用变论域模糊控制方法进行精确定位控制;依据贴合在正负电极片下压力应变片传感器信号变化反馈对接状态.模拟线路和实际线路的试验运行结果表明,该方法具有准确、可靠、效率高的特点,能够满足自主充电对接的任务要求.     

水下船体表面清刷机器人移动机构的研究

为了实现机器人在水下船体表面上可靠吸附和灵活运动的功能,开展了水下船体表面清刷机器人移动机构的研究.介绍了水下船体表面移动机构的基本组成、工作原理和方案选择,对该移动机构进行了运动学建模,确定了运动学参数.分别在空气和海水介质中,对该移动机构进行了力学分析,确定了所需的磁吸附力.按照实际的需要,根据磁轮的吸附力,选择了永磁材料,设计了磁轮的结构参数.轮与机架采用弹性元件联接,使得移动机构具有被动柔顺的功能.由于磁轮外表面外套花纹橡胶环,增大了摩擦系数,保护易脆的磁环,使得该机构转弯灵活、不易打滑和吸附可靠.通过实验分析可知,该移动机构不仅适于水下船体表面上的运动,也适于水上船体表面上的运动.     

高压输电线路模块可重构移动作业机器人的设计及实现

在智能巡检机器人技术基础上,通过对作业环境的综合分析,针对高压输电线路的金具安装与拆卸、破损导线修补、导/地线除冰和线路巡检等检修维护作业任务,提出了面向多作业任务的模块可重构移动作业机器人的机构构型,通过对构型的分析与综合,对移动作业机器人进行了单元模块的划分并提出了可重构的解决方案.其中,单元模块包括移动机器人载体平台单元、作业机械臂单元、末端执行器单元及其连接单元等类型,面向不同作业任务的机器人均由这4类模块构成.设计了各单元模块,按照前述可重构方案给出了各面向具体作业任务的移动作业机器人虚拟样机及其运动规划仿真.研制了单元模块,分别给出了面向线路巡检和面向线路除冰作业的移动作业机器人应用例,模块划分以及重构方案正确可行.     

五轮铰接式移动机器人的重构特性及分析

针对具有分离式差分机构的三箱体五轮机器人的多重构参数与机器人性能指标如稳定性、驱动力矩等非线性关系,采用iSGIHT-FD软件平台,利用Approximation方法中的响应面模型逼近局部特性,对多目标优化后数据结果进行设计数据可视化敏度分析,获得了多个重构变量对非线性性能指标的量化影响的相对大小.结果表明,轮臂的前倾...     

可重构模块化机器人分布式控制算法研究

可重构机器人是基于一套事先设计好的模块，并根据特定任务的要求选择的一组模块装配成的机器人。为了实现快速重构，可重构模块化机器人不仅要实现机械结构构形的快速重构而且要实现控制系统的快速重构。根据多Agent理论中协商合作机制和机器人结构的分布性，可重构模块化机器人采用基于多Agent的分布式体系结构。利用微分运动理论提出了一种分布式控制算法，它能够适应三维空间的控制要求，从理论上证明了这种算法的收敛性。     

2T1R型少自由度并联机器人新构型及其运动

目的 通过运动学分析,完善并联机器人理论,优选设计2T1R型新型并联机器人机构.解决并联机器人产业化关键技术.方法 用添加约束法实现二维平动和一维转动的并联机器人构型设计,并对新构型进行约束分析和自由度计算;对新型3自由度并联机器人作位置分析和速度分析,用空间坐标转换理论推导出机构的雅可比矩阵;通过仿真方法 描绘出机构的运动曲线.结果 通过计算分析,用添加约束法作出的3种新构型3-TPS/RPP、3-TPS/CP和3-TPS/RUp,证明都具有3个自由度,能实现二维平动和一维转动.建立了新构型机构的位置正、反解计算方程.计算雅可比矩阵,求出速度反解.结论 该类并联机器人的速度较平稳,可控性良好.3种2T1R型少自由度并联机器人新构型能实现预定的运动,具有良好的运动性能,可以进一步开发和应用.     

六足排爆机器人的机构设计与运动分析

由于排爆工作的危险性和复杂的工作环境,针对于提高复杂地形的运动能力设计了一款承载机构为六足机器人的排爆机器人.利用三维绘图软件SoildWorks绘制排爆机器人三维模型,构建机器人D-H参数坐标系,使用MTALAB对机构进行运动分析.为排爆机器人设计了抛物线足端轨迹和复合型足端轨迹两种轨迹规划的方式,应对平整和相对崎岖的两种路面情况.根据仿真结果的运动轨迹和关节信息分析两种路况下的足端轨迹空间和运动平稳性,验证了排爆机器人运动机构设计和足端轨迹的合理性.     

基于“风车”形子单元的自重构机器人运动及自重构规划

自重构机器人区别于其他类型机器人的一个重要特征是其在具有移动能力的同时还具有自重构能力.为了赋予自重构机器人这2种能力,在分析DL-Cube(double L-cube)自重构机器人单元模型的结构特性基础之上,设计了基于"风车"形子单元的分层规划算法,实现了由"风车"形子单元构成的自重构机器人构形在平面内的运动;同时,借助于"风车"子单元自身具有的移动、转变模块方位、携带模块能力,机器人实现了平面内由24模块组成的"长方形"初始构形到目标构形为"H"构形的自重构.通过运动和重构仿真实验,验证了分层规划算法的有效性及利用"风车"子单元进行自重构的可行性.     

一种全方位移动机器人的运动分析与控制实现

为达到在动态环境下,对机器人进行实时控制的目的,提出一种全方位移动机器人运动控制器的设计方法.以足球机器人Robocup作为实验平台,全方位移动机器人作为研究对象,通过研究具有四组正交轮组成的移动机构运动机理,在将机器人运动进行分析的基础上,以数字信号处理器(DSP)为核心,引入专家比例-积分-微分(PID)速度控制器,实现了对机器人的控制.实验结果表明,该设计方法有很好的实时性和一定的鲁棒性,在实际比赛中,实现了对全方位移动机器人的快速、实时、准确控制.     

并联机构运动学与奇异性研究进展

为了发展更多新型结构的并联机器人,克服传统并联机器人工作空间较小、奇异性与运动学正解分析复杂的缺点,针对并联机构运动支链结构形式,将并联机构分为杆支撑并联机构、绳牵引并联机构和钢带并联机构,并介绍了这3种并联机构的运动学原理.针对这3种并联机器人机构形式,从运动位置、工作空间、奇异位形3方面,对国内外并联机器人运动学与奇异性的研究现状进行详细的阐述.分析钢带并联机器人结构与驱动方式的特殊性,对钢带并联机器人在运动过程中由于钢带承载力有限导致失稳所带来的问题进行探讨.结果表明,并联机器人运动学与奇异性的理论研究方法还不成熟,需要从结构设计和理论2方面进行突破才能解决并联机器人发展的瓶颈问题,从而拓宽并联机器人的应用领域.