六轮摇臂移动机器人结构设计与越障动力学研究

为提高移动机器人在复杂地形环境中的越障性能，提出一种被动式越障的六轮摇臂移动机器人。针对爬台阶问题对机器人的越障性能进行研究，从几何条件分析得到机器人不发生底盘托底现象时结构参数与越障高度之间的关系，并分析机器人的关键越障过程，建立了前轮、中轮、后轮的越障动力学模型，根据动力学模型分析机器人速度、加速度、附着系数以及重心位置等因素对轮毂电机输出转矩的影响。基于样机实验与ADAMS仿真软件验证了机器人的通过能力，并得到了机器人轮毂电机的输出转矩曲线，指导电机选型。研究结果表明，针对爬台阶问题，该机器人具有良好的通过能力，为提高机器人在复杂地形中的越障性能提供了设计参考。     

六足机器人轮腿结构设计与仿真分析

针对移动机器人在复杂地形环境适应能力弱的问题,设计一种新型六足轮腿复合式机器人.对机器人的基本结构及轮腿结构进行设计,阐明轮-腿模式转换机理,简述腿式三足步态及轮式步态规划,利用ADAMS软件对机器人进行动态仿真,并对轮腿结构进行有限元分析.仿真结果表明:六足机器人轮腿结构满足设计要求,能通过转换轮腿结构使机器人以腿式或轮式模式移动,兼具腿式、轮式2种机器人的优点.     

便携式反恐排爆机器人

为改善现有的排爆机器人结构设计复杂、成本高、难以大量推广应用的问题,研制一种远程电脑操控的 便携式反恐排爆机器人。采用拉格朗日方程建立排爆机器人越障时的动力学方程,对机器人进行Matlab 动力学仿真, 验证动力学性能,并对机器人样机进行爬坡实验、模拟排爆实验测试。机器人底盘采用履带式底盘配合前摆实现复 杂环境下的越障;机械臂采用推杆电机形成5 自由度的串联机械臂构型实现轻量化设计。实验结果证明：便携式的 反恐排爆机器人能在可视条件下进行人为遥控排爆,具有较好的应用推广价值。     

基于虚拟元件的负载型四足步行平台静步态行走控制

传统的基于逆运动学或逆动力学静步态行走控制方法易导致步行平台足端与地面产生较大冲击力、机体轨迹产生较大跟踪误差,使步行平台出现稳定性问题。为实现负载型四足步行平台静步态柔顺稳定行走,提出一种基于虚拟元件的静步态行走控制方法。将步行平台静步态行走控制分为机体运动控制及摆动腿运动控制两部分,分别在机体各自由度及摆动腿各自由度添加虚拟弹簧阻尼元件,将机体与摆动腿控制转换为虚拟力控制。运用序列二次规划方法将机体虚拟力分配到支撑腿足端。结合各腿的雅克比矩阵,得到支撑腿与摆动腿的驱动关节力矩,并设计了步行平台静步态行走状态机。运用MATLAB与ADAMS软件建立四足步行平台仿真模型,对平台静步态行走进行联合仿真。仿真结果表明,虚拟元件控制实现了步行平台复杂地形静步态平稳行走,平台能够适应复杂地形变化,足端与地面冲击力较小,证实了所提虚拟元件控制方法的有效性。     

基于Kimura振荡器和虚拟模型的气动肌肉四足机器人步态控制

步态控制是四足机器人适应复杂地形的关键,为此对机器人步态进行规划和控制,提出一种步态控制器。针对气动肌肉驱动的四足机器人,根据机器人Denavit-Hartenberg参数建立单腿运动学模型;采用Kimura振荡器设计四足机器人步态的中枢模式发生器（CPG）网络,并改进振荡器输出与关节角度之间的映射关系;采用摆线函数规划机器人足端轨迹,基于生物神经反射机理和虚拟模型控制（VMC）,以肢体摆动相位和足端触地信息为状态切换条件,建立沟壑地形自适应步态控制器;搭建Adams与MATLAB联合仿真平台和实物样机测试平台,对步态控制器进行验证。结果表明：改进的CPG步态网络可减小步态参数间的耦合,所生成信号的幅值和相位稳定;基于CPG和VMC的步态控制器能实现机器人对角步态运动,并能跨越宽度为机器人足端宽度的2.50倍沟壑。     

陆域机动平台越障技术的发展现状与发展趋势分析

探索复杂地形等任务对陆域机动平台的越障性能提出了更高的要求.通过查阅大量文献,对目前已有的越障方案加以总结、分类,对每种类别的越障方案进行举例说明.分析目前陆域机动平台越障技术的发展思路,对其发展趋势进行了预测,得出了仿生学原理在未来陆域机动平台越障技术研究中的重要意义.     

轮腿混合机器人机械腿动力学建模与驱动预估

提出了一种可以同时实现迈步行走、有动力轮式机动、无动力轮旱冰式滑行3种运动方式的轮腿混合四足军用机器人,它采用一种基于3-UPS机构的6自由度并联机械腿,对并联机械腿进行了动力学建模与驱动参数峰值预估。通过矢量回路法推导出机械腿的机构传递映射模型,并建立了机构的雅可比矩阵;采用非保守系统的拉格朗日方程建立了机械腿的动力学模型,得到了驱动参数与机械腿的运动函数之间的显式方程。通过机械腿的动力学模型,对6个伺服电机的驱动转速、力矩进行了峰值预估分析,计算出各伺服电机中的最大理论转速为19.7 r/s,最大理论力矩为71 mN·m. 通过一个具体的机械腿设计方案和结构参数算例,分析了机器人按照“1-2-3-4”循环步态迈步行走过程中,其6个伺服电机的瞬时转速、瞬时力矩随时间的变化规律曲线,并计算出此算例的伺服电机最大转速为15.3 r/s,最大力矩为48.1 mN·m,均小于预估模型中的预估理论极限峰值,通过计算得出算例的伺服电机选型预估功率为77 W,算例结果证明了所建立的驱动参数峰值预估模型的合理性。     

六足机器人爬楼步态与仿真

为提高六足机器人对楼梯障碍物的适应能力,设计一种半圆型腿式的六足机器人。根据机器人的结构特 点,规划了六足机器人爬楼梯中的四足步态。基于步态规划,分析和建立了四足步态的运动学模型。通过对各条腿 的支撑相角度和摆动相角度的调整,用 ADAMS 软件对机器人进行了动态仿真。仿真结果表明：六足机器人结构设 计合理,在四足步态下能实现连续爬楼梯,且机器人的机体质心位移曲线在时间上连续光滑,验证了运动学模型的 有效性。     

四足机器人特定复杂运动技能控制

为了提高四足机器人的运动多样性和地形适应性，提出一种复杂运动行为控制方法，通过构建四足机器人动力学模型，在此基础上进行离线滚动优化预测，生成四足机器人复杂行为的期望轨迹。在运动学、关节扭矩、接触力、运动状态和地形高度等非线性约束下更全面地优化了轨迹，设计在线轨迹跟踪控制器与落足控制器，实现四足机器人复杂行为的在线控制。在多复杂运动的动态仿真环境下评估了所提方法，机器人可以实现前跳、后空翻、前空翻和旋转跳跃，并可以在给定地形信息下跳跃障碍物。将在线轨迹跟踪控制器迁移到四足机器人物理样机中，完成了四足机器人向前跳跃的实验。实验结果表明，所提出的方法能够使四足机器人有效地完成多种特定复杂运动技能的稳定控制。     

新型四足并联军用机器人步态控制算法及仿真

在多关节步行机器人控制策略中，全部采用中央模式(CPG)网络进行控制的方法具有参数繁多、网络结构复杂的特点；机器人的工作环境通常多变且复杂，对机器人的灵活性和抗干扰能力提出了更高的要求，故仅采用单一的控制模式很难满足上述需求。针对上述问题，在机器人控制上把基于CPG的控制方法和基于虚拟模型的控制方法进行综合，对单腿为3-UPS机构的四足并联军用机器人设计了一种新型步态控制算法，用CPG完成机器人的基础步态，完成输入输出之间的非线性振荡器网络模型的搭建，并将模型的输出与关节电机的驱动力矩构成映射关系；再用虚拟模型生成行走时保持机器人平稳姿态所需要的足端虚拟力，并将足端虚拟力映射为关节驱动力矩。通过V-REP与MATLAB软件对该步态控制算法进行联合仿真实验。仿真结果表明：所提出的步态控制算法有效；新算法的优势在于简化控制网络的同时还能保证机器人在行走过程中拥有较强的灵活性和抗干扰能力，这种新型控制模式为四足并联军用机器人的步态控制提供了新的思路与方法。     

基于混合神经振荡器的爬行四足机器人运动协调控制

中枢神经模式振荡器常用于多足机器人运动协调控制。为实现含有主动柔性躯干的爬行四足机器人运动协调控制,构建一种混合神经振荡器。该振荡器利用Hopf振荡器和Kuramoto振荡器对机器人四肢和躯干进行协调控制,并通过建立二者之间的耦合关系实现四肢与躯干的协调运动。利用仿真平台搭建爬行四足机器人虚拟样机,对静走步态、对角步态以及两种步态间柔顺切换分别进行直线运动仿真,同时对该协调控制进行可行性验证,获得虚拟样机运动图像以及其足端轨迹曲线。仿真结果表明：该混合神经振荡器可实现机器人的静走与对角步态直线运动;通过建立静走和对角步态下四肢与躯干之间的协调关系,并改变机器人各腿部振荡器之间的相位差,能进行两种步态之间的柔顺切换。     

军用轮、腿混合四足机器人设计

为设计一种可以在迈步行走、有动力轮式机动、无动力轮旱冰式滑行3种运动方式之间灵活转换的轮、腿混合四足机器人,提出一种采用3-PUPS机构的超冗余、可变胞并联机械腿,其构型可以通过伺服电机的抱闸锁定实现变胞变换,从而使机械腿能根据任务需求实时改变自身构型和性能。在建立机械腿3-PUPS机构的运动学和静力学模型基础上,通过定义运动学和静力学性能评价指标,分析了机械腿尺寸参数对其各性能评价指标的影响规律,从而确定机械腿一组使机械腿运动学和静力学性能较为均衡的结构参数,并研制出机械腿的实验样机。建立轮、腿混合四足机器人整机的通用运动学模型,定义机器人整机的性能评价指标,分析机器人整机尺寸参数对其各性能评价指标的影响规律,并确定整机尺寸参数值,在此基础上完成了轮、腿混合四足机器人整机的设计方案。通过一套专用机器人标定系统对机械腿的实验样机进行位姿测量实验。研究结果表明：机械腿运动平台的实际运动沿x轴方向最大偏差为0.041 mm,沿y轴方向最大偏差为0.040 mm,沿 z轴方向最大偏差为0.040 mm;绕z轴姿态角最大偏差为0.041°,绕y轴姿态角最大偏差为0.043°,绕x轴姿态角最大偏差为0.045°;机械腿实验样机达到了通用式工业机器人的精度水平。     

人机共存环境下巡检机器人自主移动与避障方法

为提高人机混杂环境中移动机器人自主巡检效率,提出一种基于模糊逻辑理论的避障方法。通过分析人 类的社会行为规则,结合机器人的运动特性,建立移动机器人系统的数学模型,将人机距离、人的行为模式和人与 机器人间的相对速度参数进行模糊化处理,得出基于模糊推理方法的机器人速度变化决策,利用模糊控制规则,实 现模糊逻辑控制,并通过穿越和相遇2 种运动行为进行了实验验证。仿真结果验证了该方法具有抗干扰性和良好的 避障性能。     

仿尺蠖机器人曲面爬行步态分析与中枢模式发生器规划

风电叶片爬壁机器人的曲面爬行步态是研究难点。为此建立了含3个T型和2个I型关节的5自由度仿尺蠖机器人机构模型;通过几何关系分析机构对球曲面的适应性,基于吸附稳定状态建立关节角度幅值与曲率半径之间的函数关系,采用余弦函数设计翻转步态轨迹;基于反馈学习方法、自适应频率Hopf振荡器和Kuramoto耦合,设计关节中枢模式发生器(CPG)单元及其网络;通过学习平面翻转步态得到CPG网络参数初值,再通过在线调节关节角度幅值规划球曲面翻转步态。通过Matlab和Adams联合仿真分析了CPG网络的稳定性;进行了实物样机测试,测试了在叶片曲面上的翻转步态。研究结果表明,利用吸附稳定所需角度幅值可将平面步态调节为曲面步态,CPG在线调节步态规划方法有效。     

多关节外骨骼助力机器人发展现状及关键技术分析

外骨骼助力机器人突破了传统运载工具易受地形条件影响的限制,在军用领域和民用领域都展现了巨大的应用前景,是当前各国研究的热点。从负重外骨骼助力机器人和康复外骨骼助力机器人两个方面,综述了国内外多关节外骨骼助力机器人的发展现状。重点分析了人机匹配性设计、驱动方式、步态检测、人机协同行走控制策略以及助力效果评估等关键技术,并对多关节外骨骼助力机器人今后的研究方向及研究重点进行了展望。     

基于模糊控制的仿生机器鱼避障算法

在具有复杂性与不确定性的水环境下,针对无法建立精确的水下机器人控制数学模型问题,提出基于模糊控制的仿生机器鱼避障算法。将视线导航原理与模糊控制思想相结合,进行水下机器人路径规划。通过专家经验,设计一个模糊控制器,实时调整水下机器人的运动方向,并通过仿真实验验证该算法的有效性。仿真及实验结果表明：该算法能实时、稳定地提供水下机器人的运动路径,有效躲避障碍物,安全达到目标点。     

基于力位混合控制的踝关节外骨骼机器人四段式助力技术

外骨骼机器人的助力策略是影响外骨骼机器人助力效率的关键因素。相对于平地行走模式下的外骨骼机器人,坡地行走模式的助力机器人助力机理尚不明确。针对上述问题,以人体运动特征为切入点,研究坡地行走模式下的关节做功规律,阐述人体关节运动机理,并提出力位混合控制的四段式踝关节外骨骼助力策略。进一步研制柔性踝关节助力外骨骼机器人,并通过关节力矩与代谢试验验证该助力外骨骼机器人的助力效率。研究结果表明,坡地行走过程中,外骨骼机器人能够提供人体运动所需7%的关节运动力矩,并能够降低约3.5%的行走代谢能耗。     

轮足混合式移动机器人转向机构力学特性分析

为适应山地等复杂地形的要求,设计一种适用于轮足混合式移动机器人的新型转向机构。对其进行整体受力分析与关键零部件受力分析,建立理论上的受力分析公式;利用Solidworks Simulation对关键零部件进行静力学仿真分析实验,并将仿真结果与理论分析结果进行比较。结果表明：该转向机构具备可靠性,能解决传统转向机构不能将车轮大幅度抬起的问题。