可跳跃式两轮机器人的设计与动力学分析

为提高跳跃机器人运动的灵活性和实用性,通过将跳跃运动与轮式运动相结合,设计了一种新型的可跳跃式两轮机器人.跳跃运动由三杆弹簧跳跃机构实现,在大大减小机构尺寸的同时提高了能量利用率.详细介绍了机器人各机构的组成及工作原理,在此基础上,对机器人跳跃过程进行了动力学建模,分析了影响机器人跳跃能力的因素.为验证机械设计的有效性,利用ADAMS进行了机器人轮式移动与跳跃越障过程的仿真.搭建机器人控制系统并制作可跳跃式两轮机器人原理样机,最终跳跃实验结果证明了机器人设计的合理性以及理论分析的正确性.该跳跃机器人的能量利用效率接近70%,跳跃高度超过自身尺寸.     

舵桨联合操纵水下机器人运动控制研究

水下机器人空间运动具有耦合性和非线性等特点,具有良好品质的运动控制器是水下机器人完成各种作业的前提.针对某舵桨联合操纵小型自主式水下机器人运动控制问题进行了研究.对速度,深度和艏向控制系统进行了介绍,根据控制需求,建立了水下机器人动力学模型,对执行机构进行了描述,设计了水下机器人滑模控制方案,采用变速趋近项代替一般指数...     

两栖机器人轮桨腿驱动机构多目标优化设计

提出了一种既能够在陆地上爬行,又能够在一定深度的水下浮游和在海底爬行的新概念轮桨腿一体化两栖机器人;多运动模式和复合移动机构是该机器人的突出特点．分析了轮桨腿复合式驱动机构的运动机理,并采用多目标优化设计理论和算法,对驱动机构的爬行性能和浮游特性进行了综合优化,得到了两栖机器人驱动机构的结构优化参数．虚拟样机的仿真结果证明了该轮桨腿一体化两栖机器人驱动机构的综合运动性能良好,对非结构环境具有一定的适应能力．     

利用SOLIDWORKS实现焊接机器人设计和仿真

正运用虚拟样机技术在SOLIDWORKS软件平台上设计出焊接机器人模型,按照机构的结构几何尺寸,创建零件并进行虚拟样机装配。直接在运动仿真模块SOLIDWORKS Motion中通过设定运动参数进行运动仿真,并分析其运动空间、运动状态和作用力矩等。结果表明,利用SOLIDWORKS系列软件可以对焊接机器人三维实体建模和运动特性分析,验证机构设计的合理性,为焊接机器人的实际样机的试制奠定了基础。     

轮桨腿一体化两栖机器人控制系统设计

为满足轮桨腿一体化两栖机器人控制系统各模块间信息交换的实时性、灵活性、可扩展性和可靠性的要求,将CAN总线应用于轮桨腿一体化两栖机器人控制系统中.从硬件和软件两方面,介绍了CAN总线在轮桨腿一体化两栖机器人中的应用方案,设计了基于ARM7处理器的CAN总线控制节点,提出了适用于两栖机器人的CAN总线应用层协议方案.     

面向侦察机器人的气动弹跳机构建模与分析

为提高侦察机器人的运动和生存能力,本文将弹跳运动与轮式运动相结合,建立了一种新型侦察机器 人．本文以一种新颖的气动弹跳机构实现了机器人的弹跳运动,介绍了气动弹跳机构的特性,推导了气动弹跳过程 中各耦合参量之间的关系,分析了弹跳高度的影响因素,并进一步提出调整换向气阀开关时间从而控制机器人弹跳 高度的控制方案．最后,对所设计的气动弹跳机器人进行了越障分析和实验验证．结果表明了该侦察机器人气动弹 跳机构的合理性和实用性．     

一种新的康复与代步外骨骼机器人研究

针对老年人及下肢障碍者康复训练与代步问题,本文提出一种新的康复与代步外骨骼机器人.本文首先详细介绍了机器人各部分组成及机构设计方案,通过下肢外骨骼与轮椅的有机结合,有效保持或恢复老年人、脑卒中患者下肢运动能力的同时,为患者提供一种方便的代步工具;运用脚蹬车运动制订康复训练策略,可保持下肢康复训练轨迹固定,保证患者安全;提出主从式操作方法及多模态康复训练控制流程提高使用者参与感.最后通过仿真与实验验证了所提康复系统的可行性与设计的正确性.     

基于Pro/E二自由度并联机器人的结构设计

为了提高研发效率,需要将机器人的设计过程和分析过程集成起来;针对这一集成要求,提出了基于Pro/E二自由度的机器人仿真平台,并建立两自由度平移运动并联机器人运动仿真模型;验证了机构的实际工作空间和运动情况,指出了该机构的在实际中的应用;最后通过仿真了机器人的位置轨迹、速度轨迹以及加速度轨迹来验证,文章所设计的二自由度机器人性能良好、工作灵活,很好地满足了设计指标要求,具有一定的实用性。     

星面探测仿生弹跳机器人设计、仿真及实验

基于袋鼠的跳跃运动机理和齿轮—五杆组合机构,设计了一种用于星面探测的小型间歇式弹跳机器 人．提出了仿袋鼠结构、运动形态及产生非线性弹跳动力的闭链机构的弹跳模型．采用D-H 法建立了机器人运动方 程,并对其跳跃运动步态、仿生运动特性和弹跳效率进行了分析,给出了该机器人设计的整体结构．运用ADAMS 软件对机器人进行动力学建模与全过程运动仿真,验证了该闭链仿生弹跳机构及其运动的有效性,较大幅度提高了 弹跳机构对能量的利用率,其效率可达70%,避免了弹跳机器人提前起跳．最后设计制作了弹跳机器人原理样机, 并进行跳跃试验．试验结果表明：样机试验与仿真结果基本是一致的;1.4 kg 的弹跳机器人跳远度为813 mm,跳高 度为471 mm,从而解决了利用微小电机驱动机器人实现弹跳运动的问题．     

四足机器人对角小跑步态全方位移动控制方法及其实现

为实现四足机器人在平面和斜坡上的全方位移动,提出了基于对角小跑步态的运动控制方法.基于所推导的四足机器人运动学方程和仿生步态规划方法,将机器人在平面内的运动解耦为前向运动、侧向运动和自转运动3部分以降低运动控制的复杂度.首先利用各部分振荡幅度来实现机器人在3个方向上的运动速度控制,然后利用将各部分运动合成实现四足机器人在水平面内的全方位移动控制;基于平面的全方位移动控制方法,对足端位置进行映射,实现了机器人在斜坡上的对角小跑步态全方位运动控制.最后,分别在平面和斜坡上进行了仿真和实际物理样机实验.步程计数据、仿真数据与物理样机实验结果之间的差别在可接受范围之内,证实了该方法有效地实现了机器人的速度控制和运动解耦,验证了所提出方法的正确性和有效性.     

人机合作机器人重力平衡设计

为提高人—机器人合作的质量，研究了机器人机构的重力平衡方法，以减小其带给操作者的重力感受．对于关节式机器人结构，采用拉弹簧的方式对机器人重力进行较大范围的平衡；通过对弹簧刚度和预变形的设计，使得随着机构的运动，弹簧系统可以适当调节弹簧力以实现机构在各种位形下重力的自主平衡．在机器人运动范围内的若干点对设计方案进行了验证，各关节的残余重力矩是原始重力矩的1~10%．结果说明，该设计可以基本实现重力平衡．     

可重构模块化机器人研究

可重构模块化机器人是机器人学的一个新的发展方向,其研究的核心和基础问题是可重构机器人的模块设计以及模块组合的运动规划。设计了一种新型可重构模块化机器人,该机器人具有独特的平面连接机构,实现了结构、驱动、运动和功能的模块化,能够根据需要重新构形,完成实时任务。分别介绍了模块单元的机械结构设计、连接机构以及基于CAN总线的控制系统结构。构建了基于OpenGL技术和VC++开发平台的机器人仿真实验系统,仿真机器人构形和运动,验证了模块设计的正确性和整体运动构形规划方法的有效性。     

基于CPG的沙漠蜘蛛机器人多模式运动控制方法

模仿具有多种运动模式的沙漠蜘蛛,设计了本体为双层六杆5R闭链机构的仿蜘蛛机器人,其中16个主动关节由直流伺服电机控制．提出了基于Hopf振荡器的中枢模式发生器（CPG）运动控制模型,用于实现仿蜘蛛机器人的翻滚、爬行、侧滚等多种运动模式以及步态切换．利用Matlab和ADAMS对仿蜘蛛机器人的多模式运动进行动力学仿真,结果表明机器人可实现连续平稳的翻滚、爬行、侧滚运动,验证了CPG仿生控制方法应用于闭链机器人多模式运动的可行性．     

含弹簧阻尼缓冲机构空间机器人捕获卫星操作的 避撞柔顺强化学习控制

针对空间机器人捕获卫星操作过程中,关节因受冲击载荷而易造成冲击破坏的问题,在关节电机与机械臂之间设计了一种弹簧阻尼缓冲机构.缓冲机构不仅能利用弹簧实现捕获操作过程的柔顺化,利用阻尼器实现碰撞能量的吸收及柔性振动的抑制;还能通过合理设计与之配合的避撞柔顺策略使关节所受冲击力矩限定在安全范围内.首先,分别利用含耗散力Lagrange方程法与Newton-Euler法导出了碰撞前的空间机器人与被捕获卫星的分体系统动力学方程;然后,结合Newton第三定律、捕获点的速度约束、各分体的位置约束获得了捕获后的混合体系统动力学方程,且基于动量守恒关系计算了碰撞冲击效应与冲击力;最后,提出了一种结合缓冲机构的避撞柔顺强化学习控制方案,该方案通过实时与动态环境试错交互得到惩罚信号,并利用惩罚信号对控制器进行优化,实现对失稳混合体系统的镇定控制.利用Lyapunov定理证明了系统的稳定性;数值仿真验证了缓冲结构的抗冲击性能及所提策略的有效性.     

一种带有重心调节机构的作业型飞行机器人建模与控制

针对作业型飞行机器人完成抓取、搬运等任务时所产生的重心偏移问题,设计了一种带有重心调节机构的作业型飞行机器人,并提出了一种重心调节控制策略.该方法通过对作业装置中的机械臂进行运动学推导,动态计算出机械臂运动时复合系统重心位置的改变量,利用力矩平衡方程计算得到调节机构所需转动的角度,从而实现对复合系统重心的调节.为验证所提出控制策略的有效性,在Matlab仿真环境中,分别研究了有无重心调节控制时机械臂运动对复合系统重心轨迹和定点悬停位姿的影响.通过户外实物实验测试了飞行机器人搭载负载情况下,调节机构在定点悬停作业时的稳定效果.实验结果表明,在所述控制策略下,重心调节机构能够在飞行机器人作业过程中实时调节复合系统重心的偏移量,验证了控制策略的有效性.     

基于组合测量的机器人运动误差特性分析及定位补偿技术

研究了机器人各轴运动角度误差的测量与控制补偿技术.讨论了各因素对运动角度误差影响的显著性,独立分析了电机运动控制误差和关节连杆变形误差模型.设计了双轴正交惯性测量方案,通过预先测量机器人各轴运动范围回转角度误差,得到机器人运动空间几何误差分布,基于多元统计学分析确立了不同因素对运动角度误差的影响系数,基于正交多项式拟合建立了各轴定位误差分布模型,在机器人运行前利用该模型计算误差补偿量,控制机器人进行定位补偿.同时,对所提出的机器人各轴运动误差分布规律和正交多项式拟合方法进行了分析,并使用激光跟踪仪测量验证了机器人末端定位精度的补偿效果.研究结果表明,通过对机器人自身性能的研究和补偿可以提高机器人控制精度.     

CT导航微创外科混联机器人拓扑结构分析

分析了CT导航微创外科手术环境对机器人的特殊要求,提出了一种新型串并混联机器人构型 .详细讨论了机器人的串、并联拓扑结构的设计依据,比较了多种串联微创外科机械臂的结 构类型,明确了串联部分的构型.针对传统并联机构灵活性较小的不足,提出并分析了并联 机构的结构框架,确定了并联部分的结构.基于螺旋理论重点求解了并联机构的位移输出特 征方程及其自由度,同时给出了串联部分的位移输出特征矩阵.通过灵活性仿真,验证了该 机器人可用于CT受限空间的微创外科定位手术.本文对于新型医疗机器人的构型设计提供了 一种理论参考.     

基于微型电机的肠道机器人机构设计

设计了一种基于微型电机的肠道机器人机构.分析了机器人运动方式,并针对该运动方式对轴向伸缩与径向涨缩机构进行了设计与实现,最后通过实验测试了伸缩机构的运动有效性.实现的机构本体蜷缩时尺寸为Φ13mm×50mm,能够实现10mm的轴向步距与8mm的径向变形.     

弧焊机器人与变位机协调运动的实现

研究了弧焊工作时机器人和变位机的协调运动并推导出数学模型.从实际应用出发,首先通过在线示教的方式,建立变位机各轴坐标系并确定它们与机器人基坐标系之间的关系.然后运用机构运动学分析的方法,通过联合轨迹插补解决焊接同步工作站中机器人和变位机的协调运动问题,并给出了联合轨迹插补算法的具体步骤.最后通过应用实例验证了算法的正确性.     

空间机器人双臂捕获卫星操作的事件采样输出反馈神经网络避撞柔顺控制

讨论漂浮基空间机器人双臂捕获非合作卫星过程避免关节冲击破坏的避撞柔顺控制问题,提出在机械臂与关节电机之间加入一种旋转型串联弹性执行器(rotatory series elastic actuator,RSEA)作为柔顺缓冲机构,其作用在于:1)捕获碰撞过程,通过其内置弹簧的拉伸或压缩吸收捕获操作过程中被捕获卫星对空间机器人关节产生的冲击能量;2)捕获完成后的镇定过程,利用设计与之配合的避撞柔顺控制策略保证关节冲击力矩限制在安全范围.利用第二类拉格朗日方程推导得到捕获操作前含柔顺机构双臂空间机器人系统及目标卫星的各分体系统动力学模型;基于系统动量守恒关系、系统运动几何关系及牛顿第三定律,得到捕获操作后双臂空间机器人与被捕获卫星混合体系统综合动力学方程;针对捕获操作后受碰撞影响而产生不稳定运动的混合体系统,提出一种基于事件采样输出反馈的RBF神经网络避撞柔顺控制方案.上述方案与柔顺机构相结合不仅能有效吸收被捕获卫星的冲击能量,还能在冲击能量过大时应时开、关双臂空间机器人关节电机,以防止关节电机发生过载和破坏.通过李雅普诺夫稳定性理论证明系统的全局稳定性,并通过仿真结果验证所提避撞柔顺控制方案的有效性.