差动式自适应管道机器人的设计与运动分析研究

针对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,设计了采用单电机进行驱动并具有自主差动特性和自适应变径特性的管道机器人。分析了机体差动机构的传动特性,从理论上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。构建了机器人在管内的运动位姿模型,并研究了机器人在不同位姿条件下的模型中各个变量之间的对应关系。分别建立了管道机器人在弯管和变径管中运行的虚拟样机模型,最后通过仿真实验对管道机器人的自主差动特性和自适应变径特性进行了验证。研究结果表明,管道机器人可以无干涉地通过弯管,在变径管中运行时也能有效地实现自主变径,并展现出了良好的驱动性能。     

履带式管道检测机器人行走机构位姿调整分析

针对管道机器人的管径适应性,通过建立数学模型,分析了管道检测机器人行走机构的运动特性,提出了一种新型的管道检测机器人行走机构位姿调整的机构。基于五连杆机构的运动特性,分别驱动五连杆机构的两个连架杆,从而实现管道机器人行走机构位姿的调整。基于ADAMS仿真软件建立了机器人虚拟样机模型,根据优化分析的结果,对位姿调整机构的杆长进行了修正,使得管道机器人行走机构的位姿调整机构满足设计要求。     

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。     

管道机器人结构与通过性分析

针对现有油气管道检测机器人运动方式单一、管径适应范围小、机器人在管道中通过性与适应性差等问题,设计了一种新型变运动方式管道机器人.给出机器人的设计需求,介绍了机器人的整体结构与工作原理;提出了主副簧结合、共同预紧的被动支撑机构和具有倾角可调功能的驱动机构;对支撑机构受力进行分析,同时对机器人通过弯管时的尺寸约束条件与运动约束条件进行分析,并进行了实验验证.结果表明,机器人的结构设计与计算合理,机器人在弯管中的尺寸约束与运动约束分析是正确的,机器人可以顺利通过R≥1.5D的弯管环境.该研究结果为后续机器人仿真实验与样机制作提供了参考.     

基于一种弹簧联轴节的管内蠕动机器人弯道通过性分析

针对目前国内外管内蠕动机器人对弯道连续工作能力不理想的问题,提出了一种可以在不同曲率管道内部行进的一种弹簧联轴节管内蠕动机器人的转弯机构。通过对这种管内蠕动机器人及其转弯机构组成、工作原理、位姿以及运动几何分析,得出其在不同曲率管道运动特性的相关公式,利用Adams对其进行仿真分析,验证相关理论分析,进而确定弹簧联轴节管内蠕动机器人转弯机构的各项设计参数的相关理论准则。     

基于红外测距传感器信息的通风管道清扫机器人控制算法研究

为解决通风管道清扫机器人在水平矩形管道中的自主行驶问题,设计了一种基于红外测距传感器信息的控制算法.红外测距传感器检测出机器人与管道壁面的距离,计算出机器人在管道中的姿态;光电编码器检测出机器人的实际行驶速度,利用轮式移动机器人运动学模型估计其状态.通过对这两种信息的融合,得到机器人在管道中的位姿信息.根据位姿信息和设计的控制率,实时调整机器人舵轮方向,使机器人保持与壁面平行行驶,并防止其与壁面碰撞.理论上证明这个控制系统是渐近稳定的,并通过实验对控制算法进行了验证.     

四足管道爬壁机器人周向运动位姿规划

为了实现四足机器人沿着管道内壁进行连续的周向运动,对运动过程中的位置和姿态进行规划.建立管道坐标系和机器人的位置、姿态方程,规划了一种包含足姿调整、机身旋转和机身平移的周向运动.为保证周向运动的连续性,对运动过程中位姿的角度、方向、位移进行规划,并通过足端运动实现周向运动位姿的规划.利用Matlab计算得到的周向运动关节角度曲线,对机器人样机进行爬壁实验.实验结果和滚转角分析验证了周向运动位姿规划的正确性.     

脚踏式下肢康复训练机器人结构设计及运动学仿真

借助于Pro/E软件建立下肢康复训练机器人的三维模型并设计了可以改变步长运动和进行位姿调整的步态运动机构。通过实验,对下肢康复训练机器人的工作步速范围、负载能力以及下肢关节运动角度进行分析,验证脚踏式下肢康复训练机器人设计的合理性。对设计结构进行了运动学仿真,仿真结果表明该机构能够较好地模拟人的实际步态运动,符合下肢康复系统的整体要求。     

自由曲面抛光机器人的位姿规划和控制

针对当前机器人气囊抛光自由曲面的位姿求解困难、加工运行状态较差等问题,提出一种机器人抛光自由曲面位姿求解和控制的新方法。通过分析工件面形和抛光轴位姿的变换关系,对抛光轴进行位姿求解计算,然后针对自研机器人进行运动学求解,在此基础上,对确定的面形进行计算并修整轨迹,最后通过ROS系统仿真验证并进行抛光实验。结果表明,该位姿求解算法能够满足气囊抛光机器人对自由曲面的加工需求,获得理想的刀具位姿控制效果。     

冗余约束绳驱并联机器人的位姿正解

提出一种基于Levenberg-Marquardt方法求解并联机器人的位姿正解算法。建立一种冗余约束的绳驱并联机器人运动学模型,将机构参数化以求解位姿反解问题。建立非线性正解方程组,取末端执行器的原始位姿作为迭代初值,运用所提出的算法求解位姿正解。利用Matlab/Simulink/xPC工具进行仿真实验,选取复杂的周期性圆曲线作为并联机器人的运动轨迹,进行实时仿真;经验证,该算法可完成精确的位姿正解运算,实现平稳的运动轨迹,具有良好的实时性。选取5种位姿组合,验证该算法的高效性,验算结果表明,该算法迭代次数少、运算时间短、求解精度高,为实现并联机器人的实时监测和复杂控制策略提供了一定的理论指导。     

电液驱动六足机器人三维空间力学分析

建立了六足机器人的腿部机构三维空间模型,对其关节液压缸设计优化问题进行了讨论。接着进一步建立了腿部机构力学模型,通过对静力学分析得到了机器人稳定状态时各关节的输出力矩特性,同时采用拉格朗日方法对机器人单腿机构进行了动力学分析,得到了单腿结构在运动过程中各关节的输出力矩特性。最后根据动力学分析结果用ADAMS软件对单腿机构进行了足端轨迹和腿部位姿仿真,仿真结果验证了腿部结构的运动平稳性,为后续研究工作提供了理论支撑。     

混合驱动腰部康复机器人机构设计及运动学分析

针对人体腰部的步态康复训练,设计了一种柔索气动肌肉混合驱动腰部康复机器人。通过对人体躯干在步态时运动状态的分析,确定康复机器人的基本功能要求。据此对康复机器人进行机械结构设计,使用双并联机构分别对人体腰部和下肢进行牵引驱动,并且采用柔性驱动,综合气动肌肉和柔索的驱动特点,不仅增加了康复机器人的适应性,还防止了受训人在训练过程中受到强迫性伤害。为验证机构的上述特点,使用封闭矢量环法计算了位姿逆解,并建立了速度雅可比矩阵。建立了考虑人体尺寸的康复机器人运动学模型和气动肌肉组件动力学模型,数值仿真得出步态时柔索、气动肌肉运动学性能以及气动肌肉组件力输出变化规律曲线,验证了机构的有效性。     

光传输管道清洗机器人高精度自主行走问题研究

为解决光传输管道清洗机器人需沿管道中心线精确行走的问题,基于沿墙导航的策略对此问题展开了研究。运用反馈线性化方法并基于运动学模型设计了纠偏控制器;针对光传输管道壁面较光滑的特点,提出了一种新的基于双线结构光视觉传感器的机器人位姿精确检测方法,并建立了位姿偏差计算模型。通过所设计的纠偏控制器实时纠正机器人的位姿偏差来实现高精度沿线行走。最后利用样机进行了行走实验,实验结果表明机器人的稳定行走精度达到±2mm,满足应用要求。     

管道机器人跨井机构的设计与研究

针对下水管道内部管道存在沉井问题,设计出具有跨越沉井功能的管道机器人。首先,根据机器人跨越沉井的工作原理和特点,创建升降机构的三维模型; 其次,建立机器人跨越沉井时支撑装置的力学模型,推导出支撑装置的应力和应变公式; 最后,对支撑装置受力过程进行仿真,验证了应力和应变公式的正确性,为管道机器人后续的优化提供基础。     

柔性蠕动管道机器人结构设计和通过性分析

为提高对管道复杂环境的适应性,实现机器人平稳可靠行走,对柔性蠕动管道机器人进行了结构优化设计和管内通过性分析。该机器人采用柔性弹簧轴驱动和单向轮机构,靠自身的结构自适应性实现蠕动行走,并能在一定范围内自主适应管道内径和形状的变化。通过对蠕动机器人在直线管道的运动分析和受力分析,得到了机器人的蠕动行走条件。利用ADAMS仿真软件对机器人进行了运动仿真,验证了该机器人蠕动行走的可行性和行走条件的正确性。     

基于闭环矢量法的骨盆位姿机构运动学分析

助行训练机器人是一种帮助偏瘫、截瘫患者进行行走训练的康复设备,其作用是通过对人体骨盆中心和腿部的控制实现行走功能,进而达到锻炼肌肉和康复行走功能的目的。该文提出了四自由度骨盆位姿控制机构,运用闭环矢量法建立了位姿控制机构的运动学模型,利用Matlab／Simulink完成了运动学仿真分析,得到了该机构的加速度、速度和位姿变化曲线,验证了该骨盆位姿机构方案的可行性以及运动学模型的正确性。该研究为助行训练机器人的控制系统设计提供了依据。     

可调节太阳能电池板机构分析及运动仿真

根据探月工程航天器能源供应的要求,提出了一种具有3自由度的新型可调整航空航天器太阳能电池板的机构,采用2UU-UPU并联机构最为机构原型,对该机构的约束方程和位姿关系进行分析。首先,利用螺旋理论求解出并联机器人的自由度,并通过修正的Kutzbach-Grübler公式进行验证,推出了位置反解方程。在此基础上利用Adams软件对该机构进行了运动学仿真,将仿真结果与理论数值计算结果进行对比,从而验证了可调太阳能电池板机构数学建模的正确性与三维实体模型设计的合理性。     

自由曲面抛光机器人设计与运动学仿真

设计了一种自由曲面抛光并联机器人,对其进行了运动学分析,建立了并联机器人机构位姿逆解方程,并给出了显式解析表达。应用Solidworks2008软件完成了三维实体建模,并利用机械系统动力学分析软件ADAMS对该并联机器人机构进行了运动学仿真和分析,验证了方案的可行性。     

摆幅可调型足部康复机器人的设计与运动学分析

提出了一种摆幅可调型足部康复机器人。根据踝关节运动方式和足底穴位分布,设计足部康复机器人的整体结构,并且重点介绍了摆幅可调传动机构的运动原理。运用反转法进行传动比计算,采用坐标变换法对机构踏板的位姿进行运动学求解,再通过位置逆解析得到踏板姿态角的运动方程。利用SolidWorks软件对虚拟样机进行运动学仿真,将仿真数据与理论数据对比,验证了理论分析的准确性和机构设计的安全性。最后,对摆幅调节的关键参数进行了分析。     

串联机器人模态仿真与实验

针对HW700型六自由度串联机器人某一固定位姿，采用有限元仿真与锤击实验测试法相结合的方法对其进行模态分析。在模态仿真与实验中，计算得到了机器人前6阶模态振型与固有频率。在实验结果中，通过稳态图得到其基频为105.36Hz，达到了较高水平，显示出机器人整机具有良好的刚性和稳定性。对比仿真与实验结果，结果误差率最高为8.6%，两者具有较高的拟合度，可作为相互补充，有效验证了三维建模的正确性，并改善了机器人模态参数获取繁杂的问题。研究结果为机器人进行振动故障诊断及结构优化设计提供了重要参考依据。