开环机器人运动优化的仿真研究

本文基于递推多体动力学的李群表示方法,提出了使用混合编程和句柄图形来设计机器人仿真软件的思想。进一步地,在VisualC++6.0编译环境下,调用MATLAB函数库开发了三维可视化的开环机器人仿真软件。此软件能够实现欠驱动系统、机器人、步行机械等复杂系统建模和运动优化,且可以完全独立于MATLAB运行,灵活性强。可对欠驱动系统和人类运动系统进行运动优化,具有良好的应用价值。     

无机械辅助结构自行车机器人控制仿真及实现

为实现自行车机器人的平稳直线行驶,论证了无机械辅助结构、仅靠调整车把维持自平衡的后驱自行车机器人动力学建模、姿态控制、系统仿真及实物样机实验.针对具有典型对称性欠驱动非完整约束的自行车机器人系统难于实现平衡控制问题,首先基于拉格朗日方法分析系统力学机理,建立简化动力学模型.然后基于部分反馈线性化原理,对车体横滚角与转把力矩的欠驱动子系统进行线性化处理及模糊自适应控制.仿真及实验结果表明,有效地实现了自行车机器人直线运动自平衡控制,为进一步开展自行车机器人以及其他欠驱动系统平衡运动控制奠定理论基础.     

欠驱动冗余度空间机器人优化控制

欠驱动控制是空间技术中容错技术的重要方面.本文研究了被动关节中有制动器的欠驱动冗余度空间机器人系统的运动优化控制问题.从系统动力学方程出发,分析了欠驱动冗余度空间机器人的优化能力和控制方法;给出了主、被动关节间的耦合度指标;提出了欠驱动冗余度空间机器人系统的“虚拟模型引导控制”方法,在这种方法中采用与欠驱动机器人机构等价的全驱动机器人作为模型来规划机器人的运动,使欠驱动系统在关节空间中逼近给出的规划轨迹,实现了机器人末端运动的连续轨迹运动优化控制;通过末关节为被动关节的平面三连杆机器人进行了仿真,仿真的结果证明了提出算法的有效性.     

基于遗传算法的欠驱动机器人运动规划

研究了平面欠驱动机器人的非完整运动规划问题,建立欠驱动机器人系统动力学模型,提出了一种利用遗传算法(GA)解决欠驱动机器人运动规划的方法。引入部分稳定控制器的思想,提出基于能量最优的评价函数,利用遗传算法对评价函数进行离线优化,得到有关部分稳定控制器的切换规则。此方法可以推广到任意平面欠驱动机器人的规划问题上,以平面3R欠驱动机器人为研究对象进行了数值仿真,仿真结果验证了该方法的有效性。     

可侧向摆动的欠驱动双足机器人

为解决机器人的侧向平衡问题,同时为使机器人的行走空间由二维扩展到三维,确立了可以侧向周期稳定偏转的有弹性脚的欠驱动步行机器人模型。根据混合动力系统的特点,建立了侧向摆动方程及脚碰撞地面的方程,并利用数值仿真得到了不同初始状态下的稳定极限环。根据运动状态分析,找到了弹性脚的欠驱动步行机器人所允许的侧向偏转范围。施加基于能量的控制可以消除摆动过程中出现的干扰,使欠驱动步行机器人回归到稳定状态,稳定的侧向摆动保证了欠驱动步行机器人的稳定行走。     

基于质心运动状态的双足机器人欠驱动步行稳定控制

针对双足机器人欠驱动步行稳定控制问题,提出一种基于机器人质心(Co M)运动状态的前馈控制策略.首先,根据步行速度与步行稳定性的关系,提出一种基于步行速度的欠驱动步行稳定性直观表述并给予数学定义:如果机器人步行速度能够始终收敛于一个已被证明可维持步行的速度,则机器人步行处于稳定状态;然后,基于该直观表述的数学定义和人类变速步行时的步态特征,提出一种基于质心运动状态的前馈控制策略,控制策略以机器人质心水平速度作为系统输出,通过控制质心在单个步行周期内的位移,实现对质心水平运动速度的控制,进而实现稳定步行;最后,在混凝土和木板地面上,成功实现了平均步行速度0.178 m/s、步幅为腿长0.31倍的欠驱动步行.试验结果表明:所提出的控制策略能够通过控制质心对理想速度的跟踪,实现欠驱动稳定步行.     

机器人力控制仿真试验与研究

为了解决机器人在特定接触环境操作时对可以产生任意作用力柔性的高要求和机器人在自由空间操作时对位置伺服刚度及机械结构刚度的高要求之间的矛盾.对机器人力控制问题进行了研究,利用机械动力学仿真软件ADAMS/VIEW建立关节机器人的虚拟样机模型,通过其输入输出接口实现与MATLAB的通信,基于SIMULINK建立关节机器人力控制系统模型,将联合仿真概念引入到机器人力控制领域,最后进行仿真试验,对控制算法进行仿真验证,以提高控制精度和控制质量,通过对仿真结果的分析和处理证明此方法的合理性和有效性,为机器人力控制提供了一套有效的分析方法.     

面向非连续性地面的双足欠驱动步行稳定控制

为实现双足机器人在真实非连续地面上的欠驱动稳定步行,基于自适应前馈控制算法提出一种变步长稳定步行控制策略.首先,针对机器人步行速度、稳定性以及质心运动轨迹的映射关系,引出一种基于质心运动状态的单输入-单输出自适应前馈控制算法,实现机器人在真实地面上的稳定步行.其次,从步行仿人性的角度出发,为消除地面非连续性对步行稳定性的影响,通过改变步长和质心理想跟踪速度设计变步长稳定步行控制策略,实现欠驱动双足步行机器人在真实非连续地面上的稳定步行.最后,通过对四连杆机器人模型的数值仿真,以及在木板和橡胶混合地面上的机器人样机试验,验证变步长稳定步行控制策略的有效性.试验结果表明:本文提出的变步长稳定步行控制策略能够实现在真实非连续地面上的欠驱动稳定步行.     

欠驱动两足步行机器人侧向稳定控制方法研究

以欠驱动两足步行机器人为对象研究其侧向运动稳定控制问题。首先分析引起机器人侧向运动不稳定的原因,然后提出步宽控制和侧向力矩补偿两种控制策略。步宽控制通过控制机器人侧向落脚位置,使其侧向运动周期与前向周期趋于一致实现侧向运动稳定。力矩补偿控制通过在踝关节引入侧向控制力矩,使侧向运动与前向运动协调一致实现侧向运动稳定。仿真实验表明,机器人实现了稳定的3D动态行走,达到了预期的控制效果。     

欠驱动双足机器人动态步态规划方法研究

以欠驱动双足机器人为对象研究其周期稳定的动态步态规划方法。首先建立欠驱动双足机器人的混杂动力学模型,然后采用时不变步态规划策略对机器人步态进行规划,并研究周期步态的收敛条件。步态参数直接决定周期步态的稳定性,采用遗传算法,以能耗最优为目标,以限制条件为约束对步态参数进行选择和优化。最后通过虚拟样机对机器人的行走过程进行动力学仿真。实验表明规划步态收敛于稳定的极限环,实现了高速动态步行,该规划方法是可行的。     

基于HLA的分布式虚拟靶试系统研究

分布式靶试系统是军事仿真领域内的一个新的应用方向,它的实现将对新型武器研制以及试验起到节约成本、缩短周期的效果,有着不可估量的经济效应。针对分布式虚拟靶试系统,探讨了HLA框架下的分布式仿真系统开发流程。针对分布式靶试系统进行了需求分析、功能特性分析,并进行了联邦设计和SOM/FOM模型。文中采用了重合引导算法增加系统的仿真逼真度,通过外部时间同步方式实现系统的时空一致性,突出了HLA体系结构的优点及其在分布式仿真应用中的优势。     

虚拟环境下机械装备故障预测理论与技术研究进展

在讨论故障诊断领域的研究现状的基础上,分析了机械故障预测技术的发展趋势,探讨了开展虚拟环境下机械故障预测技术研究的力学需求和动力学仿真需求,介绍了机械系统虚拟样机技术,分析了典型机械装备虚拟样机的建造方法及虚拟环境下的样机校核方法,提出了基于虚拟样机的故障仿真预测技术,设计了机械装备故障仿真预测系统的模块化结构,为实现机械故障的早期预测和预知维修开辟了新的思路,这是国际潮流的＂可持续发展思想＂和我国提出的＂清洁化生产模式＂在诊断工程中的具体体现,是现代诊断技术的＂可持续发展模式＂,具有良好的工程应用前景.     

某型装备虚拟操作训练系统研究

针对某大型复杂装备的操作训练,提出了基于HLA和A gent的分布式虚拟操作训练系统设计方案,将系统设计为一个包括九个联邦成员的操作训练联邦。每个联邦成员都是一类过程仿真系统,联邦成员的核心是虚拟操作训练子系统,采用面向A gent的方法进行设计,该子系统的核心是操作训练过程仿真模型。所设计的虚拟操作训练系统技术先进、实用性强、虚拟环境逼真度高,提高了操作训练水平,节省了经费开支。     

亚轨道飞行器返回段动力学虚拟样机设计

为进行亚轨道飞行器返回段飞行仿真实验,详细划分返回段动力学虚拟样机层次结构,建立虚拟样机各子系统数学模型,并以此为基础在VPM（Virtual Prototype and Modeling）仿真平台上实现亚轨道飞行器返回段的动力学虚拟样机设计．使用现有的亚轨道飞行器总体方案在该虚拟样机系统上完成虚拟实验,仿真结果表明,该虚拟样机系统设计合理,可以为今后的亚轨道飞行器研制工作提供一定的技术支持．     

基于庐山三维场景的图算法虚拟仿真系统研究

为应对传统计算机算法教学中理论知识存在逻辑性强、抽象程度高、教学与实验脱节、缺乏交互性等现实问题,本文借助虚拟现实技术,基于江西知名旅游胜地庐山的三维场景,使用Unity3D引擎设计图算法虚拟仿真系统。该系统实现5种图算法的仿真实验过程,每种图算法均提供“自动展示”和“用户交互”这2种运行模式,还提供用户进入景点(对应图的结点)分场景的自由控制视角浏览庐山景观的功能;同时,探讨本虚拟仿真系统存在的理论问题,并给出解决这些问题的关键技术和实施方案;最后,通过Prim最小生成树算法验证本虚拟仿真系统的实用性和灵活性。与传统的算法讲授、个性化问题驱动教学方式相比,本文设计的图算法虚拟仿真系统具有趣味性、交互性、沉浸性,既能激发学生学习的探索性和主动性,又为算法与数据结构课程提供了一种新的教学和实验方法。     

虚拟维修通用仿真软件系统的设计

针对目前装备维修保障的现状，基于高层三维图形开发环境，开发设计一套虚拟维修仿真系统，适用于各种装备的虚拟维修训练仿真。通过MultiGen Creator建立三维的装备实体模型，利用C＋＋编程，调用Vega API函数，开发仿真程序。从系统开发软件入手，给出了虚拟维修系统框架结构，并通过模型建立、虚拟人控制、程序控制实现和视景驱动控制进行虚拟维修系统的开发。通过对诸多方面进行逐步分析与设计，给出了进行虚拟维修训练开发关键技术解决方案，并将该方法成功应用于某型导弹的虚拟实验室。     

海绵校园更新设计虚拟仿真实验系统

现有的虚拟仿真实验系统没有准确的人机交互辨别机制,导致虚拟仿真设备使用过程中信号接收效果较差,为提高信号链路稳定性,基于海绵校园更新设计开发虚拟仿真实验系统。通过设计单片机系统电路,设置人机交互编码结构,并将其接入三极管连接端口,完成系统的硬件设计;通过建立校园空间雨洪分析模块和海绵校园地理数据可视化模块,完成系统的模块化设计,根据硬件设计和软件设计,实现海绵校园更新设计虚拟仿真实验系统的开发。在实验中与本文系统设计前进行对比可知,海绵校园更新设计虚拟仿真实验系统的径流总量控制率、雨水利用率、径流污染物削减率均较高。     

基于虚拟现实的煤矿设备装配仿真系统研究

针对煤矿大型设备装配存在拆装繁琐和成本高的问题,以采煤机、液压支架、掘进机和提升机为研究对象,采用虚拟现实技术设计并实现了一套由虚拟装配子系统、场景仿真与漫游子系统组成的虚拟装配与仿真系统.利用Maya对大型设备建模,通过VS程序设计,在Unity中进行交互控制,实现了设备的虚拟装配与拆卸、采煤工作面的虚拟仿真漫游功能.系统有效地提高了训练效果,形象逼真地再现了煤矿井下生产过程,具有良好的沉浸性和交互性.测试表明:经该仿真系统训练与使用,有效提高了设备实际装配与拆卸能力,同时降低了成本,具有显著的实际应用效果.     

桌面式机场塔台管制仿真系统的设计与实现

桌面式机场塔台管制仿真系统是面向现代空管教育的要求,采用虚拟现实技术构建的一套人在回路的复杂实时仿真系统。系统以机场塔台视景仿真为中心,通过分布交互实时网络,真实模拟机场塔台管制各个环节,为学员提供一个真实的虚拟仿真训练环境。系统成本低、性能高,突破了机场管制实训课程的瓶颈,满足了管制专业本科教学的需求,取得了良好的教学效果。     

配电线路维护机器人虚拟现实仿真系统设计

针对配电线路维护机器人遥显示和在线作业轨迹规划的应用需要,设计了一套机器人虚拟现实三维仿真系统。通过将机械臂姿态信息实时传输到虚拟现实环境中,实现了作业场景3D遥显示功能;根据机器人带电作业需求,设计了一种基于虚拟现实环境的机械臂轨迹规划运动学仿真软件,可在三维虚拟空间测试机械臂作业路径的可行性,具有直观、安全和高效的特点。上述系统为配电线路维护机器人完成带电作业任务创造了良好的条件。