爬壁机器人解析动力学建模与仿真

针对爬壁机器人的动力学建模问题,通过构造虚拟机构将爬壁机器人转换为具有固定基的开链系统,基于旋量理论并借助传统的拉格朗日建模方法给出了爬壁机器人未受约束时的动力学方程.借助Udwadia-Kalaba理论的建模思想,获得了爬壁机器人在预定轨迹下的解析动力学方程,避免了传统拉格朗日方程对于拉格朗日算子的依赖.数值仿真结果...     

WT轮椅机器人攀爬楼梯过程动力学建模与控制

分析出WT轮椅机器人与楼梯环境相互作用的特点,归纳出攀爬过程中轮椅机器人可能出现的模式和确定所处模式的判据。针对WT轮椅机器人较复杂且带有完整约束的混联机构,提出了具有对称的独立广义坐标和对称的完整约束的机构化简定理和一种设计完整或非完整机器人系统控制律的思路,给出了WT轮椅机器人在攀爬楼梯过程中各模式下的Lagrange动力学方程以及保持轮椅座椅水平的各关节广义坐标的规划轨迹,并结合计算力矩法设计出WT轮椅机器人的主动张紧力控制,即在对各关节变量参考输入曲线跟踪的同时,实现了对完整约束的约束反力参考输入曲线的跟踪。最后应用Matlab中的STATEFLOW模块对WT轮椅机器人攀爬楼梯过程的动力学模型和控制律进行仿真,并通过样机试验验证其有效性。     

阶梯攀爬机器人行走机构的设计与动力学分析

利用曲柄滑块机构传动性能和机构特性,设计了一种新型的适用于攀爬阶梯的机器人行走机构。简要介绍了阶梯攀爬机器人新式行走机构的结构和工作原理,通过建立行走机构数学模型,利用哈密尔顿原理建立了系统的动力学方程;运用机械系统动力学分析软件ADAMS对行走机构进行动态仿真分析,得到关键运动部件的运动规律曲线和动力学分析曲线;结果表明,该行走机构的设计方案具有可行性、合理性、可靠性、正确性和适用性。ADAMS对其复杂结构的仿真准确可靠,反映了各个构件间冲击和扰动产生的动力学响应,为行走机构减震降噪的优化设计提供了重要参数。     

机器人臂手系统动力学建模研究

利用基于旋量的开链机器人动力学方法分别建立了手臂和灵巧手的动力学模型,并推导了各关节所受外力的通用方程,然后根据两者的运动学和力学关系将2个模型结合成为一个整体。利用违约校正的方法解决了动力学数值积分中的误差累计问题,并将机器人臂手系统动力学模型用于机器人臂手系统三维仿真环境,取得了较好的效果。     

基于旋量的SCARA机器人动力学分析

应用旋量理论建立了SCARA机器人的运动学模型,并以此为基础建立动力学模型。此方法融合了拉格朗日,牛顿一欧拉法以及旋量的特点,易于求解。简要讨论了动力学与机器人轨迹精度。     

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。     

2-UPR-RPU并联机器人的动力学建模与性能分析

动力学建模和性能分析是并联机器人设计中的研究重点。以2-UPR-RPU三自由度并联机器人(U:虎克铰,P:移动副,R:转动副)为研究对象,采用螺旋理论对其进行动力学建模与性能分析。基于闭环矢量法建立2-UPR-RPU并联机器人的运动学逆解模型。采用螺旋理论分析2-UPR-RPU并联机器人分支中各个关节和杆件的速度和加速度,结合虚功原理计算2-UPR-RPU并联机器人运动时的驱动力,并通过ADAMS软件进行数值仿真验证。基于动力学模型分析2-UPR-RPU并联机器人的动态可操作度椭球指标,获得2-UPR-RPU并联机器人在不同操作高度下的转动和移动动态性能分布图谱,为机构的样机设计提供参考依据。2-UPR-RPU并联机器人的动力学建模和性能分析为实现机构在实际操作中的高效高精度控制提供了重要的基础保证。     

并联机器人逆动力学建模的几何代数方法

逆动力学建模是并联机器人动力学性能评估和实际控制的基础。以几何代数为数学工具,提出并联机器人的解析逆动力学建模通用方法。根据几何代数的外积性质,可直接确定并联机器人中各分支的关节速度和加速度幅值,建立机器人驱动速度和被动速度之间的映射关系,并推导出并联机器人分支中各杆件的速度和加速度。结合虚功原理建立并联机器人的逆动力学模型,并确定驱动力/力矩的解析表达式。关节速度和加速度计算不需要判断几何关系、进行求导或求偏微分,并且整个计算过程中仅涉及加法和乘法,无需求解符号线性方程组,提高计算效率。以六自由度并联机器人6-UPS和三自由度并联机器人2PUR-PRU为例(U：虎克铰,P：移动副,S：球铰,R：转动副),得到在给定轨迹下两个机器人驱动力的理论结果,通过与ADAMS软件仿真结果对比验证所提方法的正确性。同时,通过与基于牛顿-欧拉方程的自然正交补法进行计算效率对比,证明该方法具有计算高效的优点,可替代ADAMS仿真和原先方法用于并联机器人逆动力学建模及分析。     

仿生攀爬机器人的步态分析

面向农业、林业和建筑等领域的高空作业,提出一种具有攀爬和操作功能的双手爪式模块化仿生机器人,以期代替人们在高空复杂环境中从事危险工作.给出机器人的一种5自由度构型,分析其在空间两杆之间攀爬过渡的能力,然后根据其构型特征提出、分析和比较三种攀爬步态.在ADAMS仿真环境下,对机器人采用这三种步态攀爬各种方位的杆件时主要关节所需的力矩和机器人所消耗的能量进行计算和对比.仿真结果为机器人的攀爬步态规划提供了依据.     

输电铁塔攀爬机器人夹持机构的设计与分析

针对铁塔检修工人高空作业时手动挂拆安全绳危险性高和效率低的问题,基于菱形原理设计了一种V型角钢对称夹持机构,主要由夹持爪、外展机构和顶出机构组成,夹持爪通过螺旋升降机与滑动导轨的配合实现对角钢的抓紧,垂直于夹持手臂的外展机构通过调整其展出距离改变夹持爪的位置,顶出机构前端的V型块设计可保证机器人机身始终平行于角钢。绘制机器人的SolidWorks三维模型,依据菱形原理简化模型,并验证其对中夹持性和机构设计的合理性,建立静力学模型,对夹持机构进行静力学分析和静力学仿真。通过样机试验,验证了该夹持机构的可行性。     

关节式履带机器人爬楼梯动态稳定性分析

针对关节式履带机器人攀爬楼梯的动态稳定性问题,提出一种关节式履带机器人与楼梯台阶一点、两点或多点接触的动态稳定性准则判别方法。通过对机器人攀爬楼梯障碍过程的分析,考虑机器人的动作规划、质心惯性力、驱动轮和摆臂轮的惯性力矩、履带棱对楼梯接触作用的影响,建立越障关键姿态的动力学方程。基于机器人爬楼梯的不滑移充分必要条件,结合机器人坐标系中等效牵引力与等效支撑力的比值和履带与楼梯静摩擦因数之间的关系,得到在攀爬楼梯过程中机器人与楼梯台阶一点、两点、三点接触作用的动态稳定性判别准则,结果表明在爬楼梯过程中机器人与楼梯台阶两点、三点接触时易处于不稳定状态,数值仿真结果验证了该方法的有效性,为关节式履带机器人的动态稳定性判断提供理论依据。     

爬壁机器人力学分析与实验研究

目的：由于控制负压吸附爬壁机器人的负压差对机器人安全、运动性能、机械设计的参数选择和机器人系统的功率控制有着极为紧密的关系,对机器人的负压吸附动力学过程进行了深入的分析。方法：运用键图理论建立了爬壁机器人负压吸附动力学过程模型并对其进行了仿真分析。文章首先针对爬壁机器人的特点,对负压吸附系统的技术要求进行了详细分析,利用计算流体力学方法设计了新型的负压吸附系统;在对负压吸附系统进行合理的假设和流体力学分析的基础上,运用键图理论针对不同物理域具有参数等效的特点,把负压吸附流体系统参数等效为机械动力学中的力、位移、刚度和阻尼,负压吸附动力学模型等效为一阶的机械系统,建立了键图模型,应用20sim软件进行仿真。结果：仿真结果显示爬壁机器人负压吸附过程在负压形成过程中是一阶响应过程。结论：最后进行了试验测试,实验结果表明了所建立模型的正确性。     

球形机器人爬坡状态下动力学建模及最优控制器设计

球形机器人作为一种移动式的机器人,不可避免地会遇到爬坡的问题。结合所设计的球形机器人,详细分析其在爬坡状态下各状态变量的描述方法,给出机器人能够爬上坡角的计算公式,并且提出临界摆角的概念。利用基于耗散形式的拉格朗日方程推导出准确描述球形机器人爬坡状态的动力学方程,通过所提出的临界摆角,将动力学方程进行有效地线性化,采用坐标变换的方法来解决方程中的常数项问题,最终系统被转化为状态空间的形式。在机器人系统的全状态可测的情况下,考虑到机器人在爬坡时运动平稳、能耗小是实际需要,设计相应的线性二次型目标函数,最后通过设计状态反馈矩阵控制机器人在坡面上以期望速度进行运动,仿真结果证明了所设计控制方法的有效性。     

缆索爬行机器人结构设计与动力学仿真

以实现缆索无损检测为目的,提出了一种用于携带缆索检测仪器的新型缆索爬行机器人的本体结构方案。机器人整体采用框架式的结构,其最主要的特点是实现了机器人爬行状态下调节抱缆力的功能。建立了抱缆力调整装置的数学模型。在AD.AMS中进行了动力学仿真分析,得到了机器人的动力学特种曲线。     

轮式移动仿人机器人的动力学建模与分析

利用高效迭代牛顿-欧拉方法对一个21自由度的轮式移动仿人机器人进行了整体动力学建模,该模型虽然维数较高,但消除了分块建模中需要对模块之间相互作用力进行建模的难点问题,并且由于机器人双臂的对称结构,当合理规划双臂运动时,动力学模型将得到部分简化。本文还对某关节运动时在各个关节所产生的力或力矩进行了仿真分析。解析及仿真结果表明,合理规划上臂各关节的协调运动,将极大地削弱车体及腰部各关节所受的力或力矩扰动,为基于动力学的机器人运动控制以及稳定性分析提供理论依据。     

基于ADAMS的PGZX-1型炉管爬行机器人建模与仿真

设计了一种针对竖直管道,依靠履带运动的PGZX-1型炉管爬行机器人,该机器人主要应用于加热炉炉管检测,可解决细长管小间隙单向排布管群检测难题。本文着重研究机器人履带行走装置,首先运用SolidWorks进行机体建模,再通过ADAMS进行仿真分析,利用宏命令添加约束及载荷,对履带块与带轮、管柱之间的压力、速度和加速度等进行仿真,分析了履带爬行的特点,明确履带受力情况及运动状态,并得出相应曲线,为履带式机器人爬升竖直管道的研究提供参考依据。     

一种蠕动式缆索机器人的结构与分析

设计一种蠕动式缆索机器人,介绍了机器人的机械结构、运动方式。建立夹紧部分的力学模型,并对其进行力学分析,确定夹紧机构自锁的条件,确定了驱动力的计算方法,为步进电机的选择奠定基础。     

壁面爬行机器人的动力学分析与仿真

基于ADAMS软件,对壁面爬行机器人系统的运动规律以及运动过程中任意时刻的受力状况进行了分析与仿真,对于验证机器人结构配合及行走协调性能具有重要的指导意义。通过焊缝爬越过程的ADAMS动力学仿真分析,验证出设计结构的稳定性与可靠性。     

三节履带式机器人越障分析

设计了一种三节履带式结构机器人,通过轴套轴结构实现了机器人的主运动和摆臂运动的同步进行,有利于机器人功能的实现。为分析机器人的越障性能,选择了阶梯、斜坡、沟道等典型障碍分析了机器人的运动机理及其越障能力,重点研究了机器人翻越阶梯时的运动机理及其越障能力。以三节履带式探测搜救机器人样机为例,分析了机器人仰角、摆臂摆角与越障高度的关系,并用MATLAB仿真得到阶梯高度函数以及相应关系曲线,求出了最大越障高度的理论值,并与实测数据进行了对比。推导出了机器人的最佳越障性能及对应的质心和摆臂的位置,为机器人越障时的控制提供理论依据。