自行车转弯侧斜机制与防止三轮自行车倾翻的自适应调节器

以直线行驶中做右转向运动的三轮自行车为基本运动模型,综合平衡原理、刚体回转运动离心力及地面对车体反作用等,研究侧斜和倾翻机制。建立力学和数学模型,指出可以充分利用地面对前轮的侧向摩擦力所形成的侧向转矩效应防止倾翻。开发设计两款自适应调节器,安装于前轮架与后车架之间,成为前后左右回转摆动的铰链副机构。当车体转弯时,产生前车架组件和驾驶者的重心向转弯侧位移并且下降作用,防止车体向另一侧倾翻。两款安装调节器的样车试验表明,左右转弯自如平稳。     

45°车把转角下前轮驱动自行车机器人的定车运动

针对无配重调节器的自行车机器人在低速下不易平衡的问题,以一种前轮驱动自行车机器人为对象,给出其力学模型及在45°车把转角下定车运动的实现方法。通过车轮转弯半径分析推导出后轮角速度、车架航向角速度与前轮驱动速度、车把转角的关系,采用拉格朗日方程建立系统的力学模型;根据部分反馈线性化原理,将包含车架横滚角的欠驱动子系统线性化,设计出自行车机器人45°车把转角下定车运动的平衡控制器。仿真控制结果表明,合理选择控制参数,控制器可以快速地实现自行车机器人在45°车把转角下的定车运动;样机试验结果进一步证明,控制器可以使自行车机器人在不超过驱动电动机的力矩容限下实现45°车把转角下的定车运动。定车运动的实现从理论和试验两个方面证明,自行车机器人在低速下可以不需要配重调节器,仅依靠车把转动和前轮驱动保持稳定平衡。     

自行车机器人的控制

作为被控制对象的自行车双轮机器人是以自行车为基础,再配以转动车把的电机和驱动后轮的装置构成的。根据经验,当自行车行走不稳向两边倾倒时,人会向左或右转动车把,并且人的重心也会向右(或左)移动。向倾倒的方向转动车把的作用是将使车倾倒的重力的分力转用于车体做曲线运动的向心力,从而避免车体的倾倒。而骑车人调节自身的重心的作用,可以辅助起到将车体从倾倒的方向纠正回平衡点处的作用。     

类人机器人腰部关节平衡作用研究与仿真

在双臂协调行为的研究中,对于类人机器人不仅涉及到双臂避碰、协调运动的轨迹规划等问题,还涉及到双臂动作时对身体ZMP的影响。当类人机器人搬动物体或执行其他工作时,由于身体质心的变化或者是质心加速度的变化对原来的运动平衡性造成影响。因此,我们在双臂协调的行为研究过程中,不得不考虑上体运动对身体ZMP的影响。这里通过调整腰部关节角度实现机器人在搬动物体时的静力学平衡,分析了通过腰部关节力矩调整实现机器人动平衡的方法,并给出了类机器人双臂搬运物体移动的仿真实例。     

两轮车机器人原地定位平衡的双幂次滑模控制

针对一种两轮自行车机器人(Segway状态),采用双幂次滑模控制方法研究该机器人原地定位平衡控制问题.根据査普雷金方程的力学建模原理,结合机械化建模方法建立系统动力学模型;取车架俯仰角和车轮转角为输出、车轮电机力矩为输入设计双幂次滑模控制器;对系统进行数值仿真和物理样机实验研究,与其他控制器(部分反馈线性化、普通滑模等)下的控制效果进行对比,分析了双幂次滑模控制器原地定位平衡运动控制的性能.研究结果表明:双幂次滑模控制方法下的两轮车机器人原地定位平衡控制具有更强的抗干扰能力,俯仰角可由初始倾角快速调整到0附近,且具有更短的调整时间和更小的超调量.本研究可为该类型机器人在选择实现平衡运动的控制方法时提供参考和理论基础.     

移动手臂对机器人越障性能影响及运动规划

工作在废墟中的搜救机器人应具有一定的越障能力.由于质心决定越障稳定性和成功性,故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,分析移动手臂姿态对跨越壕沟的影响,并得到最优跨越壕沟的初始和最终位置和速度.由于移动手臂的动态特性影响机器人越障稳定性,故通过建立的其动力学模型和零力矩点(Zero moment point,ZMP)稳定判据,分析移动手臂动态特性对跨越障碍的影响,并规划出最优加速度.最后通过试验验证了分析结果及动作规划的正确性.     

类人足球机器人无侧摆动态步态规划研究

针对类人足球机器人提出了一种无侧摆的动态步态规划方法,从模型原理、数学描述、计算流程、求解方法等方面做了详细的阐述,并通过检验前向和侧向ZMP(零力矩点)位置证明机器人运动过程中无侧摆并保持了自身平衡。最后探讨了步态周期、步长、髋关节水平位置和竖直高度对于机器人行走稳定性的影响。     

基于应力分析的新型运动自行车车架的人机设计

涉及一种结合户外运动自行车与户外野营用帐篷功能的功能集约式运动自行车车架尺寸的设计,利用人机工程学及材料力学相关原理对这种新型可用于野营的功能集约型运动自行车的车架尺寸进行分析与设计,其中主要对车架中材料、支架截断点、支架管壁厚、可分离的十字形四向支架的倾斜角度等方面进行分析设计,确定这种新型车体再生产过程中需要满足的基本车架尺寸,使这种新型运动自行车在实现功能转化的同时满足力学要求,并且更加符合人机工程学原理,使骑行更加舒适。     

巡检机器人行走夹持机构夹持力计算

由于重力影响使得机器人车体水平姿态发生倾斜,通过质心调节,可以保证车体水平,但由于控制系统存在误差,使得质心不可能正好落在单轮支撑点上,导致机器人车体在单轮悬挂时出现晃动.为此,提出了一种新的机器人行走夹持机构,这种机构采用轮爪复合,便于行走和越障.在分析了机器人车体发生晃动的原因之后,给出了夹持力计算公式,并对夹持机构抑制车体晃动的夹持力进行了计算,为夹紧电机的选取提供了理论依据.     

巡检机器人行走夹持机构夹持力计算

由于重力影响使得机器人车体水平姿态发生倾斜，通过质心调节，可以保证车体水平，但由于控制系统存在误差，使得质心不可能正好落在单轮支撑点上，导致机器人车体在单轮悬挂时出现晃动。为此，提出了一种新的机器人行走夹持机构，这种机构采用轮爪复合，便于行走和越障。在分析了机器人车体发生晃动的原因之后，给出了夹持力计算公式，并对夹持机构抑制车体晃动的夹持力进行了计算，为夹紧电机的选取提供了理论依据。     

双半转腿式机器人运动稳定性分析

提出一种新型的双半转腿式机器人,主要由车体支架、两条轮腿及其轮腿支架组成.根据双半转腿式机器人的步行运动特点,将机器人的一个完整步行周期分为4腿支撑阶段和双腿支撑阶段.针对双腿支撑阶段的稳定性问题,提出3点假设,将机器人的跨步过程简化成一个支点不变、摆长不断变化的倒立摆模型.以机器人平地行走为例,分别建立机器人各杆件的质心坐标方程,并推导出机器人的质心运动方程.根据机器人倒立摆模型,分析影响其运动稳定性的因素.以此为基础,利用MATLAB软件对机器人平地行走时的质心姿态、质心速度以及后跨步杆端部位姿进行仿真,仿真结果表明,双半转腿式机器人的平地运动是稳定的.     

一种机器人的新型运动方式研究

四轮驱动车体是高压带电清扫机器人的移动载体,它的任务是使高压带电清扫机器人在变电站的拥挤环境中自由移动。针对该车体的尺寸以及机械结构的特点,设计了新型的斜滑移转向、斜直线运动以及摩擦轮制动等运动方式,使得该车体可以在拥挤的变电站中将高压带电清扫机器人移动到任一指定位置,使机器人具备了很高的灵活移动性能。     

不规则盘状回转件的静平衡计算

通常,盘状回转件的轴向宽度b与直径D的比值b/D<0.2时,可认为其质量集中在通过质心的回转平面内。所以,这种盘状回转件的平衡就是要确保其质心与回转轴心相重合,此即所谓静平衡。由于不规则形状回转件的质心一般不在回转轴线上,因此我们在设计对必须进行静平衡计算,即首先确定回转件的质心位置及其不平衡的重径积,然后在其上加相应的配重或去掉一部分材料,使其几何形状的质心与轴心相重合。     

步态训练机器人模拟弹性地面承载特性研究

步态训练机器人是一种可以帮助人模拟不同路况行走的机器人.针对机器人模拟不同弹性地面承栽特性的要求,在机器人末端的竖直运动方向上引入了柔顺控制,水平运动和姿态运动方向上引入位置控制,并建立了控制系统模型.在MATIAB环境下搭建系统模型并设计了控制器.仿真结果表明,控制系统在保证水平方向位置精度和姿态角转动精度的基础上,实现了机器人末端在竖直运动方向上对不同弹性地面承载特性的模拟.     

差速转向复合式探测机器人运动学分析

为便于探测机器人的导航和跟踪控制,提出了差速转向的复合式移动机器人运动学模型的构建及求解方法。通过对差速转向复合式移动系统结构及运动特性进行分析,推导了探测机器人车体速度与后轮及承重轮速度之间的关系矩阵,提出采用Householder变换求解车体运动的方法,为探测机器人越障过程中位置和方位的估计提供了较准确的求解模型。最后对差速转向复合式机器人的行进过程进行仿真试验,验证了运动学模型的正确性及机器人的运动特性。     

考虑柔性腰部的仿猫机器人落地冲击分析

针对四足机器人从空中无意跌落或被空投时的安全着陆问题,提出了一种考虑柔性腰部的仿猫机器人机构模型,分阶段讨论了机器人的受力和运动情况;采用拉格朗日函数在能量分析的基础上建立了动力学方程;根据动量矩定理,结合经典碰撞理论,建立了碰撞过程中的动力学方程;建立了仿真模型,分析腰部扭簧对落地冲击的影响。仿真结果表明,腰部增加扭簧可以降低前、后腿触地的反作用力,前、后髋关节主动力矩,前、后腿触地时质心竖直加速度,并且使各变量变化更平缓,因此得到更好的落地缓冲性能,并研究了腰部扭簧的弹性系数和阻尼系数与各变量的变化关系。计算了不同弓背角度及前、后腿高度差情况下的地面反作用力、质心竖直加速度。结果表明,增大弓背角度可以减小质心竖直加速度,改变前、后腿高度差会改变前、后腿的地面反作用力分布。该文为进一步研究仿猫机器人的结构设计和落地的控制策略奠定了基础。     

圆弧足被动行走机器人动力学参数影响研究

被动行走机器人运动特性主要取决于动力学参数的选择。为研究参数变化对机器人步态的影响,以圆弧足被动行走机器人为研究对象,利用拉格朗日方法建立动力学方程并进行了数值仿真。借助分岔理论研究了圆弧足半径、质心位置、转动惯量和斜坡倾角对机器人稳定步态的影响。采用正交扰动向量法求解被动行走机器人这种非光滑系统的李雅普诺夫指数,对分岔动力学进行了验证。结果表明：随着质心位置、转动惯量和斜坡倾角增大,机器人步态出现倍周期分岔现象,当圆弧足半径在特定区间内增大时机器人仍保持周期一步态,但足半径过度增大会导致步态失稳;另外,双参数研究中对圆弧足半径和质心位置联合作用下机器人稳定参数区间变化进行了分析,并且发现机器人步态呈现出逆倍周期分岔现象。该研究结果为未来双足步行机器人的优化设计和主动控制提供了重要参考。     

拖挂式自行车机器人机构设计与非完整约束分析

负载能力是评测自行车机器人机构性能的1个重要指标,针对现有的两轮自行车机器人机构负载能力不足的问题,提出1种由两轮自行车(牵引车)和单轮挂接车构成的新型自行车机器人机构,重点对机构的非完整约束特性进行研究。以车轮纯滚动为基础,结合相对运动原理分析系统的运动约束特性,结果发现牵引车驱动速度与挂接车速度存在着一定的函数关系。通过物理样机骑行试验的方法,给出系统相关运动变量关系的验证算例。所得结果表明,约束计算得到的变量曲线和测量得到的变量曲线基本一致,验证了非完整约束分析的可靠性。研究结果可为该新型自行车机器人机构的动力学建模和驱动优化设计提供理论参考。     

新型升降旋转式自行车自动停车装置设计

针对目前城市中自行车(包括共享单车)停车杂乱、困难的具体现状,设计了一种新型升降旋转式专用于自行车自动停车的装置,该装置停车与取车方便快捷并节约停车空间。该装置主要由停车架、升降系统、夹持与进给部分、回转系统、机电控制部分所组成。停车时,自行车放在入口,用户刷卡识别身份后,装置自动抓取自行车送至空余车位,而取车过程正好与之相反。     

带悬架的移动车体整体动力学建模分析及仿真

由于带悬架车体的1/4车动力学模型不能准确反映车体的运动,因此,车体整体的动力学模型建模分析是十分必要的。基于车辆动力学理论,建立带悬架整车动力学方程和路面输入模型方程,通过Matlab/Simulink仿真,比较带悬架和无悬架的车体整体的质心垂向加速度、侧倾角加速度和俯仰角加速度,定量分析了在加入悬架前后的轮式移动平台的稳定性,证明加入悬架对车体平台稳定性的重要意义及建立的整车动力学模型的正确性。