采用虚拟样机技术的四足机器人仿真研究

针对机器人抬腿和落腿时刻足端与地面冲击力过大的特点,建立了四足机器人的虚拟样机并进行仿真分析,对机器人的结构进行优化.通过对四足哺乳动物的结构分析,确定了四足机器人的结构框架;利用ADAMS软件建立四足机器人的仿真模型,并在仿真模型的基础上,分析机器人的运动特性,针对薄弱环节进行改进和验证,最终获得最优的结构设计方案.     

四足机器人结构设计与运动学分析

通过对四足哺乳类动物的结构简化,确立四足机器人结构框架,并建立该机器人的运动学模型.对四足机器人的关节运动进行轨迹设计,同时利用ADAMS软件建立四足机器人的虚拟样机,仿真结果验证了运动学数学建模的正确性及结构设计的合理性.     

仿生四足机器人的仿真研究

为了适应复杂多变的山地环境和载重要求,以生物马为原型设计了一种四足仿生步行机器人。首先在虚拟样机软件中建立结构模型,用虚拟样机技术对机器人的运动状态进行仿真和验证,通过改进符合哺乳动物运动规律的驱动函数以提高机器人的运动灵活性,使其达到设计的步速,然后使用有限元分析软件对其在所受最大冲击力处进行分析以验证结构的可靠性。     

一种新型弹性足式机器人腿部结构设计与分析

提出了一种新型弹性足式机器人腿部结构设计方法。设计了一种结构简单、响应速度快、抗冲击性强的新型足式机器人腿LCS-Leg(Linkage cable-drive spring leg)。该机器人腿采用弹性连杆机构和线驱动系统,有效降低了腿部惯量和着地冲击力,提高了机器腿的响应速度和减振抗冲能力。使用复数矢量法和D-H方法建立该机器腿运动学模型,基于此模型求解足端运动工作空间,分析了LCS-Leg的越障能力。设计单腿仿真试验平台,对两种不同结构的机器腿进行仿真,对比两者的质心高度、前进速度和足端接触力,验证了所设计机器腿的运动性能。试制弹性足式机器人腿及其试验平台,通过实物样机单腿行走试验,验证了设计方法的有效性,并完成了四足机器人整体结构设计。     

四足爬行机器人步态分析与运动控制

为了实现液压作动的四足步行机器人的稳定行走,根据运动稳定裕量原则规划四足机器人的直行步态,保证三足支撑机体时稳定裕量为100 mm;针对液压缸运动加速度突变导致机体冲击振动的问题,提出了利用S型曲线作为各自由度的运动位移控制规律的方法。按照JQRI00型四足步行机器人原理样机的结构建立了虚拟样机模型,应用仿真软件对所设计步态进行了仿真,分析了步态的运动学、动力学特征和位移控制方法的运动特征;在四足步行机器人原理样机上进行了试验,并将试验与仿真结果进行了比较。研究结果表明,所设计的机器人步态可行,保证了机器人具有较好的行走稳定性;将S型曲线用于位移控制,消除了液压缸运动加速度的突变,进一步提高了机体运行的平稳性。     

基于虚拟样机技术的四足机器人步态规划与仿真

建立四足机器人质心与各关节角的关系,利用虚拟样机技术,通过质心轨迹来控制四足机器人的运动。首先,建立四足机器人质心与各关节角的运动学方程;然后,规划四足机器人的质心轨迹;最后,应用ADAMS建立虚拟样机模型,结合MATLAB对预定的质心轨迹进行联合仿真。通过对仿真结果中的机体位移、速度、关节转矩的响应曲线进行分析,并结合静力学仿真结果,对四足机器人的机构设计提出合理的简化方案。     

基于ADAMS的四足仿生机器人单腿结构设计

利用ADAMS软件虚拟样机技术,设计了液压驱动的四足仿生机器人单腿机械结构。通过分析四足哺乳类动物身体结构及运动特性,设计了仿生机器人的机械机构,确定了机器人腿部自由度配置,建立了仿真模型。根据动物的实际运动步态,规划并设计了静步态及对角小跑两种步态,进行了逆动力学仿真,得到关节等关键部位输出数据。在仿真实验的基础上,设计了液压作动器的关键参数及四足仿生机器人单腿机械结构。     

蜘蛛机器人的结构设计与运动步态仿真分析

依据多足昆虫的身体结构和运动特性,设计出蜘蛛机器人的本体结构。遵循结构仿生和功能仿生原则,基于虚拟样机技术,应用SolidWorks软件建立蜘蛛机器人的仿真模型,并结合ADAMS对蜘蛛机器人的直线行走步态和定点转弯步态进行联合仿真,得出其运动步态控制舵机的运动角度,进而验证结构设计的合理性和运动步态的稳定性。所做研究为蜘蛛机器人的实物制作提供了理论基础。     

非结构环境下六足机器人仿真研究

为了研究六足机器人在不同地形环境下的运动性能,利用CREO三维建模软件生成了一款六足机器人三维实体模型,并导入ADAMS虚拟样机软件获取样机动力学模型.通过建立平地、沟壑以及梅花桩地形虚拟环境对其进行直线行走仿真分析与非结构路面行走步态仿真分析,获取六足机器人在不同运动形式下质心位移、足端受力、各关节转矩等参数随时间的变化曲线,验证了六足机器人结构设计的合理性以及运动的可能性,为六足机器人实物样机的研制提供了理论依据.     

2-DOF并联行程放大机构结构参数优化

为研制一种能实现快速行走、运动灵活性好的仿生四足机器人,对一种能够实现机构末端位置行程放大的2自由度并联机构进行运动性能分析与结构参数优化,并将优化结果应用到仿生四足机器人的腿部机构,研制出样机。首先,推导2自由度并联行程放大机构位置反解,建立机构的线速度雅克比矩阵,对机构的工作空间进行分析。其次,建立机构运动灵活性能评价指标,揭示主要结构参数对灵活性能指标的影响规律。然后,采用容限加权法确定一组合理的结构参数,使运动灵活性能指标达到最优。最后,根据优化的结构参数设计出仿生四足机器人腿部机构和整体的虚拟样机,并进行虚拟样机运动仿真。仿真结果表明:并联行程放大机构各驱动参数变化平稳,理论速度和仿真速度误差在±1.6×10~(-6)m/s范围内,验证仿生四足机器人腿部机构设计方案和结构参数的合理性及理论推导的正确性,为该仿生四足机器人的进一步研究奠定了基础。     

新型四足步行机器人的腿机构设计

结合腿部机构的典型姿态,规划了四足机器人的合理步态。依据设计参数,运用三维模型软件UG建立了四足机器人的三维实体模型,导入ADAMS中添加约束和动力,进行运动仿真。仿真试验结果表明机构运动中腿部所受冲击力过大,因此进行机构方案改进,重新设计了小腿机构。改进的机构试验表明,四足机器人的腿部受力明显得到了改善,从而机构的设计得到了优化。     

一种基于多轴工业机器人的非线性同步控制方法

为了提高机器人的末端轨迹精度,提出了一种基于六轴工业机器人的包含位置误差和同步误差的非线性PD偏差耦合控制策略。该策略无需考虑机器人精确的动力学模型参数,避免了不精确动力学参数的影响。首先建立了基于IRB120型虚拟样机的动力学模型,再利用Simulink和Adams进行联合仿真验证该策略的合理性。仿真结果表明,利用该方法与基于相同规划轨迹的传统非同步控制的力矩前馈算法和PD同步控制算法进行比较,有效地降低了关节同步误差,提高了末端的轨迹精度。     

一种双足机器人步态规划和运动仿真的研究

通过对人类行走步态的研究,结合双足机器人实际结构,规划机器人行走时的基本姿态及重心轨迹,建立运动学模型,根据规划的行走姿态及轨迹建立运动学方程。应用三维建模软件UG建立双足机器人的简化模型,导入仿真软件ADAMS中生成虚拟样机模型,并通过在Matlab中得到机器人行走的关节运动轨迹对虚拟样机模型进行控制,经仿真后,利用该虚拟样机模型对机器人行走步态进行运动学及动力学分析。应用虚拟样机方法,验证了步态规划的有效性。     

双足机器人四连杆仿生膝关节的研究

机器人关节通常采用二连杆单轴关节，仿生特性不强。结合生物医学人体关节研究成果，研究了一种四连杆封闭链仿生关节；给出了一种由四连杆机构组成、智能MR阻尼器控制的多轴仿生膝关节机构；并与人腿膝关节对比分析了四连杆膝关节的仿生特点；通过多变量优化设计方法求解膝关节机构和阻尼器安装位置参数；并建立了仿生膝关节的虚拟样机，进行仿真，结果表明四连杆关节有好的仿生特性。     

智能焊接机器人的机构设计与仿真

用SolidWorks软件建立了焊接机器人的三维实体模型和虚拟样机模型,并在SolidWorks平台下,用Solid Works Simulation实现静力学仿真,仿真得出结构的应力、位移、应变情况;用SolidWorks Motion实现机器人的运动学仿真,得出机器人各关节运动的角位移、角速度、角加速度曲线。最后对仿真的结果进行分析,为焊接机器人的机构设计提供数值依据,以更好地改进机器人的机构设计。     

外场驱动无缆微机器人的仿生游动特性

研制了以NdFeB为驱动器的仿生游动微型机器人,其作业原理是通过改变时变振荡磁场的驱动频率,媒介于嵌入机器人头部NdFeB的磁机耦合作用,将时变振荡磁场能转换成机器人头部摆动的机械能,再带动铜薄膜尾鳍产生波动并与液体耦合产生推力。由于NdFeB为非接触式驱动,因此机器人的驱动不需要电缆。基于固定端摆动悬臂梁模型,建立了机器人尾鳍受迫振动波动方程和基于仿生游动原理的推力计算模型,以尾鳍波动的前三阶谐振模态为输入对其产生的推力进行了计算,得出了尾鳍各阶谐振模态与推力的关系,试验验证了理论分析的正确性,表明无缆驱动控制仿生游动微型机器人的方案切实可行。     

空间机器人捕获航天器操作的避撞柔顺无源神经网络H∞控制

研究了空间机器人在轨捕获非合作航天器过程避免关节受冲击破坏的避撞柔顺控制问题。为此在关节电机与机械臂之间配置了一种柔顺机构--旋转型串联弹性执行器(RSEA),可通过其内置弹簧的变形来吸收捕获过程目标航天器对空间机器人关节产生的冲击能量;结合所设计的开、关机控制策略可保证关节冲击力矩受限在安全范围内。首先利用拉格朗日方法及牛顿-欧拉法分别获得了捕获前空间机器人及目标航天器的分体系统动力学模型;之后,结合冲量定理、系统运动几何关系及力的传递规律,建立了捕获后两者形成混合体系统的动力学模型,并计算了碰撞过程的冲击力矩;最后,基于无源性理论提出了一种神经网络鲁棒H∞避撞柔顺控制策略以实现失稳混合体的镇定控制。数值仿真结果表明,配置柔顺空间机器人在捕获碰撞阶段最大可减小61.9%的关节冲击力矩,最小也可减小47.8%;而在镇定运动阶段,各关节冲击力矩均受限在安全范围内,实现了对关节有效地保护。     

联合实验和仿真的机器人参数标定

针对医疗机器人调试过程中必须通过可靠的方法获得准确关节参数的问题,将联合实验和仿真的机器人参数标定这一技术应用到机器人的调试过程中.开展了对医疗机器人结构和运动学模型的分析,建立了运动学模型和关节参数之间的关系,提出了联合实验和仿真以得到准确关节参数的方法;分别控制机器人的单一关节运动,并同时记录针尖点的位置坐标,利用最小二乘法对数据进行处理,得到了关节轴线的表达式和连接点的坐标,通过仿真得到了与实际样机高度吻合的运动学模型,并通过空间计算得到了准确的关节参数;最后以定位精度为评估指标,多次使用该方法对医疗机器人进行了实验验证.实验结果表明,机器人的最终精度均能锁定在1 mm以内,该方法具有可靠性与工程实用性.     

一种新型仿生变胞膝关节外骨骼机器人及其多体运动尺度综合方法研究

针对人体步态周期的摆动相与承载相生物力学特征,创新性的提出一种集变胞仿生膝关节外骨骼机器人与具有“J”型轨迹特征运动副人体等效下肢为一体的人-机并联研究原型,在深入解析其变胞运动承载仿生工作机理的基础上,系统提出一种多体运动尺度综合方法。该方法首先基于多体运动学,系统构建人-机并联运动学模型;其次针对该外骨骼对其穿戴位置滑移与下肢个体差异的有效几何包容,提出一种新型运动学综合性能评价指标——仿生灵巧包容度;再次将多体运动尺度综合问题归结为一类多目标优化问题;最后计及不同人群的步态差异性,采用压缩粒子群算法,深入开展膝关节外骨骼系统多体运动尺度综合数值仿真。通过仿真数据对比与参数敏感性分析,佐证该膝关节外骨骼机器人所具有的变胞仿生运动学综合性能,以及多体运动尺度综合方法的合理性与有效性,为后续研究原型承载有效性的相关研究,提供理论基础。