具有万向机构的蛇形机器人运动控制

设计了一种能够使蛇形机器人运动更灵巧、奇异点更少和运动能力更强的机构．对具有三个自由度的新型蛇形机器人单元进行了改进，在单元上增加被动轮机构，使其具有万向机构的特点。该单元不仅能够用被动轮驱动机器人运动．而且增加了类似于主动轮的驱动机构．克服了被动轮驱动能力弱的缺点，增强了机器人的运动能力。在分析非完整约束的基础上，对蛇形机器人的运动学和冗余度进行分析，提出了控制该类蛇形机器人运动的分解矩阵方法和分组交替运动法。     

双臂弹性单腿机器人的垂直跳跃控制

提出一种新型弹性单腿跳跃机器人系统,该机器人由两个驱动臂和一个弹性被动伸缩腿组成,系统只能依靠内部动力学耦合实现动态站立平衡、起跳、稳定连续跳跃运动.给出系统机构模型,分析该系统的变约束特征.该机器人系统在支撑相是二阶非完整约束系统,在飞行相是一阶非完整约束系统.针对这种欠驱动非完整约束动力学系统,采用时变非线性输入变换,提出一种实现垂直方向连续跳跃的运动控制算法.以控制腿部的姿态和振动规律、系统动量为目标实现机器人的全状态稳定控制.通过计算仿真模拟,验证提出的运动控制方案是可行的.该研究以探索弹性欠驱动机械系统振动能量循环利用技术为目标,研究结果对设计新型弹性欠驱动机械系统以及探索它在航天领域的应用具有一定参考价值.     

三连杆轮式蛇形机器人设计及运动分析

为了克服被动轮驱动蛇形机器人运动能力弱的缺点,提出了一种新型三连杆主动轮驱动蛇形机器人。该蛇形机器人由多个被动关节连接的串联连杆组成,每个连杆的中心都有一个主动全向轮。全向轮的驱动力只作用于横向,而机器人则沿纵向运动。此外,针对该蛇形机器人具有非完整约束和欠驱动的特点,采用局部坐标系,设计了一种带有防滑功能的运动控制器,使运动和关节角度互不干涉。蛇形机器人蜿蜒爬行实验结果表明,所提出的设计是可行的,且运动控制器有效避免了全向车轮的打滑问题,提高了整个系统的稳定性。     

新型空间移动并联机器人机构运动学分析与仿真

提出一种新型非过约束空间移动并联机器人机构,该机构由3条结构完全相同的CPU分支运动链构成。基于螺旋理论对其动平台运动输出特性和自由度进行分析和计算;建立了机构运动学模型,包括位置、速度和加速度;分析了被动关节变量与机构主动输入变量之间的映射关系,推导出被动关节变量与输入之间的数学表达式。应用Solid Works和Adams软件对机构进行联合仿真,得到其位移、速度和加速度仿真曲线,以及被动关节变量的曲线。文中研究为该机构的实体样机开发提供了一定的理论基础。     

非完整约束轮式移动机器人控制系统设计

采用美国Cygnal公司新研制的C8051F005单片机作为机器人控制系统的CPU及瑞士MAXON公司的直流伺服电机作为双轮驱动单元，利用非完整约束条件和非完整约束运动规划原理，研制了非完整约束轮式移动机器人，该机器人可跟踪任意直线、圆弧曲线轨迹等，也可实现原地零半径旋转及任意轨迹运动。运动自主灵活。     

一种独轮车机器人的动力学建模及俯仰平衡控制

针对一台3驱动独轮车机器人系统,分析了其动力学特性并给出了一种可以实现其前后俯仰平衡运动的控制方法。根据行走轮与地面接触的非完整约束特性,引入Chaplygin方程建立系统的动力学模型,结果发现独轮车机器人是一个具有6个独立广义速度、3个欠驱动自由度的欠驱动系统。考虑车体俯仰平衡运动的力学子系统,采用部分反馈线性化方法,将其中的欠驱动车体俯仰角线性化,并选择车体俯仰角和行走轮转动角为输出,设计了系统俯仰平衡运动的非线性控制器。最后通过数值仿真控制与物理样机实验验证了所设计控制器的有效性。     

一例非完整约束轮式移动机器人控制系统的设计

介绍了一例非完整约束轮式移动机器人机械结构及控制系统软硬件的设计。采用美国Cygnal公司新研制的C8051F005单片机作为机器人控制系统的CPU及瑞士MAXON公司的直流伺服电机作为双轮驱动单元,利用非完整约束条件和非完整约束运动规划原理,研制了一例非完整约束轮式移动机器人,该机器人可跟踪任意直线、圆弧曲线轨迹等,也可实现原地零半径旋转及任意轨迹运动。运动自主灵活。对直线及圆弧轨迹进行了跟踪实验。     

无根欠驱动冗余机器人动力耦合特性研究

无根多刚体系统和欠驱动冗余机器人系统实质上都属二阶非完整动力系统,其位姿空间约束方程不能满足控制要求,一般基于动力学方程对系统进行控制,即通过关节间动力耦合作用约束被动关节运动,因此此类机器人可控性分析的重点在于系统耦合运动特性研究。基于动力学虚设机构法及非完整系统微分变分原理,建立了无根欠驱动冗余机器人的动力学模型;针对虚设关节、主、被动关节进行动力学模型解耦,推导出了系统的二阶非完整约束方程及被动关节的加速度表达式;在此基础上,通过定义表征被动关节耦合运动的性能指标,针对不同位置主动关节输入参数对被动关节可控性的影响进行了仿真分析,得到了提高无根欠驱动冗余机器人可控性的有益结论,为实际欠驱动冗余机器人输入控制提供了参考。     

基于混联机构的新型物流分拣机器人机构研究

针对物流行业分拣商品过程中商品种类繁多,配送和储藏多样化,工作效率低的现状,研究基于混联机构的新型物流分拣机器人机构。采用五自由度混联机构,综合并联机器人与串联机器人的机构优点,针对该构型进行运动学分析,包括约束分析和速度分析,得到机构运动的位移,速度,加速度与角速度曲线,验证了该机构输出为三移动两转动。     

一种新型的空间3-RR（RR）R并联机构的运动仿真

对一种新型的3-RR-（RR）R4自由度空间并联机器人进行了位置反解分析,建立机构输入运动副与工作点解析关系,在此基础上,利用Matlab软件构建机构的实体模型,模拟机构的实际运动,并利用微分法做出的机构的速度曲线、加速度曲线与影响系数法求出的速度曲线、加速度曲线进行分析比较,验证了影响系数法对少自由度并联机器人求解的正确性,同时也说明利用该仿真模型能够正确模拟机构的运动特性,为并联机构的优化设计提供依据。     

一种新型的空间3-■并联机构的运动仿真

对一种新型的3-RR(RR)R4自由度空间并联机器人进行了位置反解分析,建立机构输入运动副与工作点解析关系,在此基础上,利用Matlab软件构建机构的实体模型,模拟机构的实际运动,并利用微分法做出的机构的速度曲线、加速度曲线与影响系数法求出的速度曲线、加速度曲线进行分析比较.验证了影响系数法对少自由度并联机器人求解的正确性,同时也说明利用该仿真模型能够正确模拟机构的运动特性,为并联机构的优化设计提供依据.     

少驱动六足机器人结构设计与轨迹优化

设计了一种具有良好稳定性和越障能力的少驱动六足机器人。对少驱动六足机器人的整体结构以及行走步态进行了分析,在此基础上建立了机器人足端点轨迹方程,得到了机器人行走和越障时足端点的运动要求。以六足机器人运动平稳性为目标函数,综合考虑杆长条件、传动性能、几何结构、越障条件和边界条件五类约束,建立了机器人足端轨迹优化模型。利用MATLAB优化工具箱的约束非线性函数fmincon对影响少驱动六足机器人足端轨迹曲线的参数进行优化,得到了满足运动特性要求的机器人腿部机构尺寸。通过对优化后得到的足端轨迹的分析,证明了少驱动六足机器人腿部机构的合理性,为后续六足机器人的研究与开发奠定了基础。     

跳跃机器人非完整运动规划的数值算法研究

讨论了一种带有非完整约束特性的跳跃机器人姿态运动的最优控制问题.当跳跃机器人系统无外力矩作用时,其相对于总质心的角动量守恒而成为非完整系统.这类系统运动规划的控制问题,由于非完整约束的不可积特性而比一般系统要复杂得多.针对这一问题,首先建立跳跃机器人运动的动力学模型,利用系统的非完整约束特性,将系统姿态运动的控制问题转化为非完整运动规划问题,并将遗传算法应用于系统非完整运动规划的最优控制中,设计了相应的数值算法.文末给出了算例仿真,仿真结果表明了该方法的有效性.     

线驱动拟人臂机器人逆向运动学分析

基于最新人臂仿生理论和并联机器人研究的成果,提出一种线驱动7-DOF冗余手臂的设计方案.线驱动机构具有高刚度、高精度、高负载能力的优点,可以克服常规串联机构的缺点.介绍这种新型线驱动拟人臂机器人具体的结构,利用旋量理论描述机器人运动,在绳索张力条件的约束下,分析肩关节的工作空间.针对7-DOF机器人的逆运动学求解问题,先采用关节速度再分配法求关节速度逆解;然后与Paden-Kahan子问题法相结合,取得具有冗余控制的位置逆解,求出在给定位姿时各关节角的角度;再由关节角与绳长的关系解出各关节处驱动绳索的长度,并分析肩关节运动对腕、肘关节的耦合影响.最后在ADAMS下进行仿真,采用直线插补算法,动画图形实时显示机器人的运动情况,证明逆向运动学算法的正确性.     

新型轮腿式地面移动机器人的结构设计与运动特性分析

依据平行四边形悬挂机构的运动特性设计的轮式移动机器人具有良好的越障性能,通过结合摆臂和行星轮机构而设计的新型轮腿式地面移动机器人克服了原有机器人不能跨沟的缺陷,对外界非结构化的路面环境具有良好的适应能力。详述了该新型轮腿式机器人的结构特点,对该机器人的运动特性进行了分析,并利用拉格朗日方程建立了该机器人越障状态下的动力学模型。采用一组可行的结构尺寸,利用ADAMS软件建立虚拟样机模型验证了该地面移动机器人的可行性。     

非完整单足跳跃机器人姿态运动控制的样条逼近方法

讨论非完整单足跳跃机器人姿态运动规划的最优控制问题。在机器人无外力矩作用时,其系统相对于总质心的角动量守恒而成为一类典型的非完整系统。由于非完整约束的不可积特性,对该类系统的运动控制问题比一般系统要困难得多。为解决这一问题,首先导出机器人姿态运动方程,根据系统的非完整约束特性,在系统角动量为零的情况下,将非完整机器人的姿态运动规划问题转化为最优控制问题,利用样条逼近方法和粒子群优化算法实现机器人姿态运动的最优控制。该方法的主要特点是所得到的控制输入的初值和终值均为零,解决了以往文献中控制输入的初值和终值不为零的问题,便于利用伺服电机实现机器人运动的控制。文末数值仿真表明了该方法的有效性。     

基于小波逼近的机械系统非完整运动规划数值方法

机械系统中的非完整约束通常是由不可积的速度约束或不可积的守恒律引起。由于非完整约束的存在,系统的运动控制和规划问题比一般的机械系统要困难得多。机械系统在动量和动量矩守恒且为零的情况下,系统动力学方程可降阶为非完整形式约束方程。基于这样的方程,将系统的控制问题转化为无漂移系统的非完整运动规划问题。针对带有非完整约束的机械系统,导出自由漂浮的空间机器人系统非完整运动模型。利用最优控制技术和小波分析方法,在控制输入中引入小波函数逼近,提出一种非完整机械系统运动规划数值方法。将该方法用于自由漂浮空间双臂机器人系统,仿真结果验证了方法的有效性。     

基于非完整约束原理的欠驱动机械臂机构的设计

依据现有的非完整约束理论、机器人机构学与控制理论,采用摩擦圆盘运动分解合成机构,提出了一种可在三维空间内运动的非完整机械臂机构,并研究其运动规律.这种三维非完整机械臂机构,既表现出运动约束的不可积性(即非完整性),还表现出运动的非线性和可控性.这类机械臂由于驱动单元数较少,从而降低了机械臂的重量和成本,这种机构对于探索三维复杂非完整机械系统具有重要的科学意义.     

差动式自适应管道机器人的驱动特性研究

为解决管道机器人过弯时驱动轮与管壁间的相对滑动问题以及机体对管径尺寸的适应问题,设计了采用一个电机进行驱动并具备差动能力和自适应变径能力的管道机器人。分析了机体差动机构的传动特性,理论推导了管道机器人变径机构工作状态时的受力方程,得到了机器人运行时驱动轮与管壁之间的力学关系式。构建了机体管内运动模型,并分析了机体在不同位姿条件下,模型中各轮的运动参数变化情况。建立机器人在组合管中运动的虚拟样机模型,通过仿真实验对机体的差动特性进行了验证,结果表明机器人可以无干涉过弯,并展现出了良好的驱动性能。     

全方位移动机器人动力学研究

动力学是全方位移动机器人运动控制和导航定位研究的基础,但建立精确动力学模型较为困难。以四轮正交驱动全方位移动机器人为研究对象,探讨拉格朗日法求解移动机器人动力学模型可靠性,通过MATLAB/Simulink仿真和在实验室环境下样机测试来分析驱动力矩和机器人速度、加速度运行参数关系,进而验证该方法的正确性。从仿真曲线和实验数据可分析出机器人运动特性与机械结构关系,可为其他形式移动机器人的动力学研究提供参考。