蛇形机器人蜿蜒运动的摩擦机理及推进条件

针对带有从动轮的蛇形机器人,考虑实际结构中从动轮在蛇形机器人关节连杆上的安装位置,建立蛇形机器人蜿蜒运动的动力学模型。提出一种库伦-粘滞混合摩擦力模型,整体的库伦摩擦力特性和临界点处的粘滞摩擦力特性,避免了库伦摩擦力模型本身的非光滑性,以提高动力学模型的求解效率与计算稳定性。基于改进的动力学与摩擦力模型,利用摩擦系数比来表征法向与切向摩擦力的各向异性程度,通过对蜿蜒运动的仿真分析,讨论了摩擦系数比对前向运动速度与推进效率的影响规律,并对运动过程中蛇形机器人各个关节模块的速度和摩擦力变化进行了分析,明确了蛇形机器人蜿蜒运动的摩擦学机理,解释了蛇的蜿蜒抬起运动能够有效减少摩擦阻力而适用于高速运动的原因。最后通过带从动轮的蛇形机器人样机实验,对实现蜿蜒运动的摩擦学推进条件进行了验证。研究对于实现蛇形机器人的结构优化,步态规划与运动控制具有重要的理论意义与实际指导价值。     

三维蛇形机器人巡视者Ⅱ的开发

蛇形机器人具有比传统移动机器人更强的运动能力,为实现机器人的三维运动而开发的蛇形机器人巡视者Ⅱ是一个具有强驱动力和高机动性的三维蛇形机器人.它由具有3自由度的模块化单元组成,该单元具有俯仰、偏航和回转3自由度,单元的俯仰和偏航运动是通过由3个伞齿轮组成的差速机构耦合驱动.该单元的圆柱形外壳周围安装有一系列的被动轮来增加机器人运动灵活性.对蛇形机器人模块单元的自由度作了详细分析,并基于机器人的运动机动性设计三维蛇形机器人的单元结构.给出蛇形机器人的控制系统结构,并对耦合变量进行解耦.将蛇形机器人的蜿蜒运动和扭转运动两种基本步伐应用到巡视者Ⅱ上,试验结果证明了该三维蛇形机器人具有很强的机动性和运动能力.     

蛇形机器人的机构设计及运动分析

蛇形机器人以其独特的身体结构和运动形式能够适应各种复杂环境。为了验证蛇形机器人的运动能力,设计了一种前进中可做周期性运动的蛇形机器人,重点讨论了其关节机构的设计和运动原理;通过建立蛇形机器人运动的数学模型,并结合其运动的周期性,详细分析了三连杆模型的运动步态特性。研究结果表明,三连杆运动步态提高了蛇形机器人的运动能力。     

一种新型模块化可重组机器人的设计与研究

提出了一种模块化可手动重组机器人机构，该机构具有结构简单，控制方便，成本低廉等优点。基于模块化设计，使机器人具有多自由度和灵活的变形能力，可以很好地适应环境的变化，完成不同的任务。通过模块间的分离和对接，可实现蛇形、履带形和4足形等多种仿生结构。通过实验证明，该结构可以通过手动重组能够较好的完成蛇形蠕动、履带形滚动和4足爬行3种运动步态。     

一种周期性运动蛇形机器人的运动规划及实验研究

设计完成了一种可作周期性前进运动的蛇形机器人,按照蛇形机器人运动要求,分析规划了其运动模式,对其关节角运动周期性等关键问题进行了较为深入地研究。最后,在建立蛇形机器人动力学模型的基础上,设计制作了蛇形机器人,并进行了实验研究。研究结果表明:所用规划方法为蛇形机器人的运动设计提供了一种成功的思路,其运动实现取得了良好的效果。     

一种波纹管蛇形机器人的结构设计及运动分析

针对仿蛇机器人结构复杂,关节寿命短的问题,文中设计一款波纹管蛇形机器人结构.利用Solidworks建立蛇形机器人三维模型,然后构建了蛇形机器人的D-H坐标系及简化模型,并对模型进行了关节约束分析及动力学分析,推导了波纹管蛇形机器人的动力学模型.并且通过ANSYS和Adams对蛇形机器人进行了磨损仿真和运动仿真,仿真结果表明,波纹管避免了蛇形机器人直接与地面接触,减少了蛇形机器人的运动磨损量,提高了使用寿命,且在运动时其速度、加速度过渡平滑,速度能在1s内达到最大值100mm/s,在零点处无反向变化;力矩变化无冲击,蛇体长度变化平稳,无侧滑及停滞等不正常状态,运动效果较好.     

水陆两栖蛇形机器人的研制及其陆地和水下步态

针对沼泽、浅滩等复杂环境对蛇形机器人的环境适应需求,在广泛分析国内外水陆两栖蛇形机器人研究最新进展的基础上,研发一种新型水陆两栖蛇形机器人。该机器人由9个具有密封设计的万向运动单元组成,保证了样机在陆地和水中均能灵活运动。基于简化的蛇形曲线得到水陆两栖蛇形机器人的基本二维运动步态即蜿蜒运动。对两个垂直平面上,即水平面和竖直面上基本步态进行复合,由基于启发式思想的三维步态生成方法,得到包括侧向蜿蜒等运动的水陆两栖蛇形机器人的多种陆地步态和水下步态,其中S形翻滚运动和螺旋翻滚运动为蛇形机器人的两种新型步态。通过步态试验验证了水陆两栖蛇形机器人的陆地和水下运动能力。在试验过程中,对陆地和水下步态的性能做出分析,分析结果对水陆两栖蛇形机器人在陆地和水下运动的位置和姿态控制具有重要意义。     

一种新型蛇形机器人的设计研究

通过对生物蛇运动的分析,研究出了一种新的蛇形机器人运动方案,设计了相应的蛇形机器人机械结构与控制系统,并进行了蛇形机器人的运动规划研究,最终制作了蛇形机器人样机。     

一种新型蛇形机器人的运动规划研究

设计了一种前进时可作周期性运动的蛇形机器人，按照平面机械手运动学求解方法，通过对蛇形机器人的逆运动学求解，得出在一个周期内几个关键时刻的关节角，并根据蛇形机器人运动的周期性，对各关节角采用曲线拟合方法规划出了关节角变化规律。最后，在做出的蛇形机器人的实体模型上验证了此方法的正确性。     

蛇形机器人的研究与发展综述

对国内外蛇形机器人进行了研究和分析,将其分为形态研究、运动学和动力学模型、步态控制及稳定性等研究内容,从二维运动和三维运动角度,对研究内容进行了综述、分析和总结。结合蛇形机器人的结构和运动步态特点,对国内外研制的蛇形机器人进行了分类,最后对蛇形机器人的研究发展进行了展望。     

Design of a cyclic inhibitory CPG controller for the locomotion of a snakelike robot

The rhythmic locomotion of a creature is a self-excitation behavior of the CPG (central pattern generator), which makes it supremely adapted for environment. Based on this fact, firstly, a snake-like robot controller with cyclic inhibitory CPG model was designed, and then the stability of a single neuron, CPG model and the NON (neuron oscillator network) was analyzed. By implementing this control architecture to a simulator based on the mechanical dynamics of a real snake-like robot named Perambulator-I, we presented preliminary rules for parameter setting of the CPG controller to modulate the number of S shapes, the curve of the body shape, locomotion velocity, and the curve of the locomotion trajectory for serpentine locomotion. Moreover, we demonstrated that Perambulator-I can successfully exhibit serpentine locomotion by using the output of the proposed CPG controller. The results of this paper provide a realistic approach for designing an artificial CPG controller. __________ Translated from Chinese Journal of Mechanical Engineering, 2006, 42(5) (in Chinese)     

新型模块化可重构机器人系统

研制了一种新型模块化可重构机器人系统,机器人由许多结构和功能完全相同的模块相互联接组成,通过改变各模块之间的联接状态和相互位置关系,不需任何外界辅助,自动完成重构过程和整体协调运动:设计了模块的分离联接机构和单自由度立方体结构,模块结构兼具阵列式和串联式特点,可方便的实现重构运动和整体协调运动:上位机软件系统可通过交互方式设置各机器人模块的方位,可手工编写或自动产生可重构机器人各模块的运动序列,可对机器人可重构过程和整体构型的协调运动进行规划和仿真,并通过计算机串口对机器人进行实时控制。试验验证了机器人模块的分离／联接和模块协作基本功能和蠕虫构型、四足构型、履带构型三种构型的整体协调运动功能。试验表明:模块结构设计简单合理,控制容易,可以完成重构操作功能和整体协调运动功能。     

一种可重构蛇形机器人的研究

提出了一种新型的可重构蛇形机器人机构。该机构主要特点是单关节结构模块化，具有可适应地面形状变化的柔性连接环节和类似于蛇腹鳞摩擦特性的机构底部，手动可重构，当单自由度关节轴线互相平行连接时，该机构可实现多种平面运动形式，当单自由度关节轴线垂直依次连接时，形成的蛇形机器人具有两自由度的关节，可进行多种空间运动。试验结果证实，该蛇形机构重量轻，控制简单，运动灵活，能够很好地仿生蛇的多种运动形式。     

Wheelchair.q, a motorized wheelchair with stair climbing ability

The paper deals with Wheelchair.q, a concept for a stair climbing wheelchair capable of moving in structured and unstructured environments, climbing over obstacles and going up and down stairs.The design of the wheelchair, consisting of a frame, a seat and a four-bar linkage mechanism that connects frame and seat, is presented.The four-bar linkage moves and rotates the chair to prevent the wheelchair from overturning and to guarantee a comfortable posture to the passenger during different operations. The kinematic synthesis of the linkage mechanism is discussed using an algebraic method. When the wheelchair faces an obstacle such as a step or a stair, it can passively change locomotion mode, from rolling on wheels to walking on rotating legs, thanks to its self-adaptive locomotion units. The function of the locomotion unit is described and modeled using kinematic equations. The locomotion unit requires only one motor, for both wheeled and legged locomotion. Tests on a scale prototype were conducted in order to evaluate the effectiveness of this locomotion.     

微小机器人的移动方式

微小机器人是微机电系统研究开发的重要分支,各种微小机器人的研究成果不断涌现.受自身尺寸和作业空间的限制,微小机器人难以采用常规机器人的驱动器、传动机构和执行机构.根据移动方式的不同,将微小机器人分为腿足式、轮式、蠕动式和游动式等类型.讨论了各种移动类型的例子,分析研究了它们新颖的驱动机构.认为驱动器的微型化是实现微小机器人的关键,高效合理的驱动方式可降低对微小驱动器的要求.     

肠道微机器人柔性运动系统

提出一种适用于肠道微机器人的柔性运动系统来提高肠道机器人微创诊断的主动运动能力.柔性运动系统采用尺蠖型运动方式,由柔性运动机构和柔性驱动机构组成.柔性运动机构包括径向气囊软足和轴向伸缩推杆,并用万向节连接微机器人前后腔体从而提高运动柔性;柔性驱动机构利用尼龙线绳牵引波纹管泵驱动气囊软足和伸缩推杆激励微机器人伸缩.微机器人样机直径为12.2 mm,长度为78 mm,质量为14.8g,最大径向钳位外径为20.2 mm,最大轴向行程为16.4 mm.实验结果表明,柔性驱动机构可以为波纹管泵和伸缩推杆分别提供最大为0.67N和0.65 N的驱动力;微机器人样机能够在不同倾斜角度的刚性有机玻璃管中运动,在水平和竖直管道中的平均运行速度为0.38 mm/s和0.25 mm/s;能通过最小曲率半径为49.3 mm的塑料软管,在离体肠道中也能实现有效运动.本柔性运动系统为肠道微机器人提供了一种安全有效的自主运动方案.     

小型螺旋轮式管道机器人设计

针对管道内径为Ф100mm的微小型管道检测机器人研究,提出了基于螺旋推进原理的微小型管道机器人的解决方案。新型的旋转体和保持体结构的设计,使此管道机器人具有较大的牵引力和移动速度。机器人采用节段式设计,使得其在体积微小的同时,具有强大的功能扩展性。本文介绍了螺旋推进管道机器人的组成及工作原理,对机器人的机械结构进行了设计,并且分析了其在弯管内的几何与运动约束条件。     

Design on hopping locomotion mechanism

1Introduction Largemachineshavebeenwidelyusedinin dustryrecently.Theywillcausecomplexopera tionsandrequireagreatdealofenergy.The high energyproblemhascometotheattentionof moreandmorepeople,sopint sizedrobotshave beenresearchedtosaveenergy[1].Nowpint sizedrobotsoftenuseelectromagnetismastheir driver[2],theyalsoneedhighvoltageandspecial flatsurfacesofiron.Inthisarticleanewpint sizedhoppinglocomotionmechanismwhich savesenergyandadaptswelltovarioussurfaces ispresented.2Principle2.1Motor Theimage…     

具有缩放平台的串并联蠕动机构*

为探索新型移动机构及其移动方式,提出一种具有缩放平台的串并联移动机构。该机构由两个空间3-RPR并联机构串联组成,其三个平台均为可缩放移动平台。通过三个平台依次缩放配合支链的伸缩,该机构可实现蠕动运动。该机构兼具并联机构高刚度和串联机构运动空间大的优势。应用螺旋理论计算该机构的自由度,运用矢量法进行运动学分析。以攀爬管道内壁为应用案例,介绍该机构蠕动的详细步态。利用Solidworks进行详细的机械设计。利用ADAMS进行攀爬管道的动力学仿真,得到平台的位移曲线以及支链推杆的杆长变化曲线。制作一台原理样机,验证了该机构的自由度特性和蠕动步态。     

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。