蛇形机器人侧向运动的研究

本文提出了一种新型蛇形机器人机构，建立了其空间运动学模型，实现了蛇形 机器人的两种侧向运动：侧向蜿蜒运动和侧向滚动，前者通过调节两个异相波的频率比，实 现了任意方向的侧向运动．后者通过控制运动波的幅值变化，实现了各种形式的纯侧向移动 ，当幅值足够大时，这种侧向滚动可以跨越障碍．     

模块化可变形机器人控制系统设计与变形方法研究

介绍了模块化可变形机器人控制系统的整体结构．控制系统的硬件和软件均采用了模块化结构的设计,增强了整个系统的可扩展性和容错性．针对该机器人的机构特点提出了一种新的变形方法——协同变形法．实验验证了控制系统的有效性和协同变形法的优越性．     

基于动力学与控制统一模型的蛇形机器人速度跟踪控制方法研究

对带有被动轮的蛇形机器人进行速度跟踪控制时,利用传统的动力学建模方法得到的动力学方程复杂且不利于控制器的设计. 本文基于微分几何的方法将带有被动轮的蛇形机器人动力学投影到速度分布空间中, 得到了动力学与控制统一模型, 更有利于速度跟踪控制器的设计. 考虑到蛇形机器人在进行速度跟踪时容易出现奇异位形, 提出增加头部扰动速度的方法. 基于头部扰动速度和统一模型, 提出避免奇异位形的速度跟踪控制方法, 最后通过逆向动力学得到控制力矩. 文中对速度跟踪控制进行了数值仿真和实验验证. 仿真和实验结果表明, 提出的速度跟踪控制方法能够跟踪想要方向的速度, 并且在跟踪过程中可以有效地避免奇异位形.     

蛇形机器人的转弯和侧移运动研究

介绍了沈阳自动化研究所研制的蛇形机器人机械结构和控制结构。在分析蛇形曲线的基础上,提出幅值调整法、相位调整法和侧移调整法三种新方法,来处理蛇形机器人侧向滑动带来的方位偏转和完成蛇形机器人自主转弯控制,并给出几种方法的量化关系,建立动力学仿真模型进行了运动仿真。幅值调整法虽然使蛇形机器人转弯角度受到限制但却保证了运动的连续性和稳定性。相位调整法能够使蛇形机器人准确地完成转弯运动。侧移调整法能够实现蛇形机器人前进过程中的侧向位置调整,同时保证运动方向的准确性。将上述方法应用到蛇形机器人的控制中,用仿真和试验验证了以上方法的有效性。     

独立操作型可重构机器人群体构形表达和重构优化

独立操作型可重构机器人的单个模块具备独立运动、操作和采样能力,顺应从结构环境中定点作业向非结构环境中自主作业的发展要求,能够更好地应用到环境复杂、危险性高的场合.现有的构形研究主要针对依赖运动型、独立运动型可重构机器人,解决独立操作型可重构机器人构形问题时具有局限性.针对可重构机器人重构目的,提出矢量构形,将构形研究内容扩展到拓扑结构、运动趋势方向和各模块的姿态方位及连接关系,提出模块状态向量和构形状态矩阵实现该类可重构机器人群体构形的表达,对应的变换运算和操作可以表达、触发模块行为运动和构形重构,提出以工作负荷为优化目标的构形组合重构优化方法、以姿态方位工作负荷和连接工作负荷的组合为优化目标的构形变换重构优化方法,通过重构优化获得模块在构形重构中状态对应变换关系,作为构形重构规划和控制的基础.     

蛇形机器人行波运动的研究

对蛇形机器人的行波运动机理进行了研究,基于Serpenoid曲线建立了蛇形机器人行波运动的形状控制模型、运动学模型、机构动力学模型及环境动力学模型,给出了求解过程。仿真结果表明：在行波运动中,各关节输入力矩大小呈周期变化,且随其与蛇体重心距离的增加而减小。蛇体中心关节的最大输入力矩为蛇形机器人所需最大输入力矩。对称关节输入力矩幅值变化规律相同,但相差不同;运动初始弯角保持不变,关节输入力矩随着环境摩擦因数的增加而增加。环境摩擦因数保持不变,关节输入力矩随着初始弯角的增加而减小。     

基于循环抑制CPG模型控制的蛇形机器人蜿蜒运动

根据生物蛇和蛇形机器人的结构及运动特点,应用循环抑制CPG建模理论构建了蛇形机器人神经网络模型;利用蛇形机器人模型,仿真验证了CPG模型对蜿蜒运动控制的有效性;提出并仿真验证了实现有目的转弯控制的CPG参数调节方法。最后,给出了今后的研究方向。     

基于能量的蛇形机器人蜿蜒运动控制方法的仿真与实验研究

能量作为最基本的物理量之一, 联系着蛇形机器人蜿蜒运动的各个方面. 能量耗散描述了环境交互作用, 能量转换对应着运动的动力学过程, 能量平衡反映了蜿蜒运动的协调性. 提出一种基于能量的蛇形机器人蜿蜒运动控制方法-被动蜿蜒. 通过输出关节力矩控制机器人蜿蜒运动, 由机器人的能量状态调整力矩的大小. 仿真结果显示了被动蜿蜒控制下机器人的构形、角度、力矩、能量状态和转弯特性, 并对控制力矩进行了递归分析. 基于Optotrak运动测量系统构建了被动蜿蜒控制的模拟/物理混合实验系统. 进行了移动实验和拖动实验, 前者改变环境的摩擦特性,后者改变机器人的负载. 仿真和实验验证了蛇形机器人被动蜿蜒控制的有效性和适应性.     

可重构单体机器人动力学分析与控制

给出了可重构机器人在移动过程中的动力学模型,并提出了相应两种控制方法,即构形调整法和状态调整法。通过仿真试验得到,构形调整法能够在不影响状态的情况下,同时满足机器人运动稳定性和越障性的要求,增强了机器人运动的鲁棒性。     

链式可重构机器人单模块结构设计与运动实验

提出了一种新型模块化链式移动机器人机构,它具有可重构、自动变形的特点。单个标准模块主要由中间通孔式连接手臂、履带驱动链传动装置、模块偏转锥齿轮传动装置、模块俯仰链传动装置、连接柄等组成。模块间由偏转关节、连接柄、连接臂和仰俯关节进行连接组合。为提高单个模块的机动性和实现运动自主功能,对标准模块进行了适当改进,单模块机器人采用了履带、轮、臂、腿组合的移动机构,具有三维空间的运动能力。最后对单模块机器人样机在垂直壁障碍、平地支腿、平地转弯、斜坡、楼梯等情况下的运动能力进行了实验,为进一步实现多模块机器人的自重构和环境应用打下了基础。