轮腿式全地形移动机器人位姿闭环控制

轮腿机器人在越障及振动时,不可避免地会出现位姿(质心位置和俯仰、侧倾姿态)的变化。为实现对其位姿的控制,将汽车的多连杆悬挂系统应用到轮腿机器人设计当中,设计了一款新型轮腿式全地形移动机器人,降低复杂地面对轮腿机器人姿态的影响,保证轮腿机器人在复杂环境下自身姿态的稳定性。首先,建立了轮腿机器人的单腿运动学模型,并搭建了单腿试验台架,验证了模型的正确性。接着,针对轮腿机器人的位姿问题分别建立俯仰和侧倾模型,并对轮腿机器人的位姿进行解耦运算,在满足轮腿机器人各质心位置分量(x、y、z)不变的情况下实现其姿态的闭环控制。然后,采用比例控制(P控制)在Simulink中搭建轮腿机器人位姿控制策略。最后,在Adams中创建轮腿机器人虚拟样机,并建立适用于大外倾角的PAC轮胎模型,利用Simulink与Adams联合仿真验证轮腿机器人在立体坡面上的位姿控制效果,仿真结果表明,本文控制算法对轮腿机器人的质心位置和姿态均有很好的跟踪效果,可将质心位置误差、姿态误差分别控制在4.3%和5%以内,验证了本文控制算法的有效性。     

具有被动摆臂的四履带机器人越障性能分析

针对主动摆臂形式的四履带机器人在越障过程中出现的摆臂控制复杂问题,采用简化机器人控制、增强机器人自适应能力的方法,通过引入柔性关节,在机器人机械本体上设计了一种被动摆臂机构,并从理论上对该被动摆臂式四履带机器人的越障能力进行了分析,用ADAMS软件对该机器人进行了运动学仿真.结果表明:当摆臂的下限摆角取φ1=-1.09rad时,机器人样机所能攀越的台阶高度为其极限越障高度(170.93mm),比同尺寸采用主动摆臂形式的四履带机器人提高了20mm,从而验证了该机构的可行性,为被动摆臂式四履带机器人的发展提供了基础.     

基于ADAMS的双半转腿式机器人虚拟仿真

提出一种带辅助支撑轮的双半转腿式机器人,该机器人主要由车体支架、两条轮腿、轮腿支架、辅助支撑杆和滚动轮等组成。在ADAMS仿真软件中建立该机器人的虚拟样机模型,设定各腿杆之间的约束关系以及各跨步腿杆与路面之间的三维碰撞属性,且根据各腿杆的运动耦合关系,设定机器人各关节驱动舵机的转速。针对机器人平地行走情况,在ADAMS中进行虚拟仿真分析,得到该机器人的车体支架质心位移、速度和加速度随时间变化曲线,及跨步腿杆及辅助支撑轮在平地行走过程中所受的地面接触力。结果表明,该机器人的车体垂直起伏度较小,辅助支撑杆部分设置的弹簧具有一定的减震效果。     

煤矿井下搜救机器人越障分析

煤矿生产时常受到瓦斯、煤尘事故的影响,煤矿事故一旦发生,需要快速及时地进行救援,事故后井下复杂恶劣的环境对煤矿井下搜救机器人越障能力提出了更高要求.根据煤矿井下的环境特点,结合现有机器人的移动机构,对煤矿井下搜救机器人总体进行设计.从运动学角度分析了机器人克服台阶、沟槽、斜坡等典型障碍的运动规律及其最大越障能力.     

轮-履混合式移动机器人爬坡运动研究

室内外不同环境对移动机器人有不同的运动要求,不同结构的移动机器人也具有各自的运动性能。设计了一种轮-履混合式移动机器人,描述了该轮-履混合式移动机器人不同的运动模式;针对不同的运动环境,实现纯轮式运动、纯履带式运动及腿式运动的相互转换;基于机器人的结构特性,分析了该机器人的爬坡能力,采用稳定锥方法,建立了该轮-履混合式移动机器人完成横向、纵向爬坡的约束方程。实验证明,此种轮-履混合式移动机器人地形适应能力强,具有较强的爬坡能力,在履带运动模式下的爬坡能力可以达到25°。     

树木涂白机器人行走装置的设计及仿真

设计了一台树木自动涂白的新型机器人,采用轮腿式齿轮齿条升降越障的行走装置,实现了其在街道地形场所下的正常行驶。运用三维软件Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ对机器人进行三维建模和装配;推导出涂白机器人在常见街道地形特点下移动越障的动力学方程,为其运动的控制奠定了动力学基础;采用动力学仿真插件Ｍｏｔｉｏｎ进行仿真试验得出机器人在越障阶段的扭矩和功率曲线图。试验结果表明：机器人结构设计合理,能够顺利实现不同环境特点下的功能要求;在各个阶段中,扭矩的变化较为平稳,越障过程顺利,除在启动点会出现突变外,其余状态均为良好。研究结果对缩短移动机器人的研究开发周期、降低开发成本以及提高设计质量等具有重要意义。     

履带式煤矿救援机器人越障能力分析与越障过程仿真

为制定煤矿救援机器人越障策略从而进行有效运动控制,选择台阶、斜坡和沟道等3种典型障碍,依据运动学原理研究救援机器人在3种障碍上的越障过程,得到了机器人的极限越障能力;运用Recur Dyn软件建立了救援机器人3D模型。通过越障仿真试验,得到机器人越障过程中俯仰角、俯仰角速度等参数的变化规律。研究结果可为判定机器人能否越障以及制定越障策略提供依据和参考。     

串联式履带机器人越障性能研究

为应对在自然灾害、煤矿井下事故发生后的搜救工作,提出了一种新型的串联式履带搜救机器人结构,该机器人由3个双履带机器人模块通过铰接连接构成.通过双履带机器人模块的俯仰改变机器人的质心位置,从运动学的角度研究该机器人攀爬台阶的过程及性能,采用数值计算方法分析该机器人的越障高度与仰角、关节角的关系.通过与双履带机器人最大越障高度比较,验证了串联式履带机器人具有较强的攀爬台阶能力.     

平行四边形可变形履带机器人运动学分析

为适应灾难救援环境,设计了一种平行四边形变形履带机器人VPTMR(Variable Parallelogram Tracked Mobile Robot),该机器人具有良好的越障能力。针对VPTMR跨越台阶过程的动作进行了分析与规划,对越障过程中的分阶段建立了运动学模型,分析了机器人在越障过程中整体质心位置与摆臂角的变化规律;为了使机器人在跨越台阶的过程中的质心保持最低,对VPTMR越障的动作姿态进行优化,将摆臂角的规划曲线进行拟合,并对比分析了优化前后的结果,为后续的动力学分析打下基础;实验结果表明了动作规划的正确性和姿态优化的有效性。     

八轮扭杆摇臂式月球车越障性能分析

针对八轮扭杆摇臂式月球车的结构特点及已知的月面地形条件,利用准静力学方法推导出了八轮扭杆摇臂式月球车结构尺寸与表征其越障性能的参量间的参数关系式。根据附着系数的物理意义,分析并确定了由月球车主要结构参数表述的单位直径车轮越过垂直障碍高度的参数式。利用该参数式绘制单位直径车轮越障高度与各结构参数间的关系曲线,对各轮的越障能力进行了综合评价,得出了该车型越障能力由两前轮决定的结论。最后,针对不同附着系数,绘制两个结构参数同时改变时越障高度的变化曲线,分析了两个主要结构参数对月球车越障能力的影响。在ADAMS中进行仿真验证,其结果与理论越障高度的相对误差在10%以内,证明了理论推导的可靠性。     

新型爬壁机器人越障机理及能力研究

爬壁清洗机器人是在危险的高层建筑环境下替代人进行清洗工作的机械,其可靠性和稳定性尤为重要. 在分析传统爬壁清洗机器人弊端的基础上,针对玻璃存在的窗框障碍物,设计一种四旋翼摆臂式爬壁清洗机器人.机器人基于履带式底盘结构,通过旋翼旋转产生推力提供壁面行走所需的吸附力,并设计相应的机器人摆臂变形机构,增加机器人的壁面越障能力. 从运动学角度分析机器人越障时的运动机理,建立机器人壁面攀爬的运动学模型. 在RecurDyn的Track LM模块环境下,对机器人越障过程进行运动学仿真,得到驱动轮的驱动转矩、旋翼推力随时间变化曲线;对Y轴重心位置和加速度变化曲线分析,机器人在越障过程中能够保持良好的平稳性,论证了四旋翼摆臂式爬壁清洗机器人的越障能力和越障过程中的平稳性.     

气动柔性关节六足机器人腿关节提升机构设计与仿真

针对气动柔性关机六足机器人腿部关节提升高度小,越障能力差的问题,设计了一种基于平行四杆机构的腿关节提升机构。搭建了运动学实验平台,并对样机进行运动学实验研究。实验结果表明：该提升机构能够有效的将腿部关节提升高度增加19mm,使机器人越障能力扩大为原来的1.63倍,为气动柔性关节六足机器人的研究奠定了基础。     

多运动态可重构轮履复合式机器人机械设计

针对复杂的室外地形特征,结合轮式、履带式移动机构的运动优点,提出并研制一种可重构的具有多种运动模式的轮-履复合机器人.该机器人由控制单元、两个相同的可重构车轮、翻转机构和车体组成,具有轮式、履带式、翻转式3种运动模式.轮式工作形态,机器人为两轮机器人,运行速度快,可全方位运动;履带工作状态,机器人可以适应砾石地、沙地、草地等多种复杂地形,具备较强的越障能力;翻转工作状态,履带轮整体翻转,可跨越栏杆等垂直障碍.机器人轮-履转换由车轮内部的并联四连杆机构实现,可根据地面特征选择运行模式,根据障碍类型选择越障方式.在建立运动学和力学模型的基础上,结合数字仿真方法对结构进行了参数化研究,此设计方法优化了转换机构的运动轨迹,降低了对驱动电动机的性能要求,提高了电动机的使用效率.试验表明,机器人可通过调整自身机构以合理的运动模式通过沙地、草地等路面环境,攀越阶梯和栏杆等复杂障碍,具有良好的环境适应性和越障性能,验证了该移动平台系统设计的合理性.     

轮-履式移动机器人履带转向运动

针对室内外不同工作环境对移动机器人的结构有不同的要求,本文设计了一种的模块化的轮-履式移动机器人,描述了该轮-履式移动机器人纯轮式、纯履带式及轮履混合式等不同的运动模式;基于该机器人模块化的履带式结构特性,依据刚体平面运动理论,分析了该机器人的转向运动条件;基于转向阻力矩模型,建立了该轮-履式移动机器人完成履带式转向运动的约束方程。仿真和实验证明,此种轮-履式移动机器人地形适应能力强,在履带运动模式下,采取大的转向半径及小的转向比可有效减少机器人的转向阻力矩,能很好地完成转弯运动。     

六边形六足机器人障碍自识别步态规划

六足机器人在控制灵活的同时,也存在步态规划策略制定困难等问题,尤其当其遇到不可逾越的障碍时,这一问题更为严重.针对此问题,提出了一种障碍自识别步态规划策略.此策略以正逆运动学解算为基础并建立D-H坐标系,进而对每条腿进行齐次坐标变换,并根据足末端力反馈来自动识别障碍做出旋转和越障步态规划.通过ADAMS的仿真结果分析,验证了该策略的正确性和普适性.     

一种新型四臂巡检机器人机构设计与运动分析

为满足大跨度输电线路对巡检机器人结构尺寸、爬坡性能以及越障性能等方面的要求,从人爬树运动研究中得到启示,设计了一种新型四臂式巡检机器人。首先,通过探索人爬树过程中运动姿态特点,介绍了机器人的机构构型和2种典型障碍物的越障方法。其次,给出了机器人机构的主要尺寸,推导了机器人的运动学方程,对机器人爬坡和越障运动性能进行了分析,以验证机构设计的可行性。最后,在虚拟样机平台上进行了运动仿真实验。结果表明该机器人同时具备较强爬坡能力和跨越单挂点等复杂障碍物的能力。     

可变形履带机器人跨越台阶的动力学分析

针对各种灾难过后复杂的地理环境,设计了一种具有平行四边形结构的可变形履带机器人.为了计算机器人在运动过程中的电机驱动力和地面支持力,对机器人上台阶过程进行了运动分析,利用牛顿欧拉方法建立了其跨越台阶的动力学模型,并对其运动稳定性进行了实验.实验结果表明,机器人能够根据运行环境采取不同的运动方式,具有很强的越障能力,适用于崎岖山路、瓦砾及楼梯等复杂环境.此研究可为机器人的运动控制提供借鉴.     

多运动状态下移动机器人的动力学建模与分析

通过对关节履带式移动机器人越障过程的运动分析,基于履带车辆行驶力学分析及牛顿-欧拉方程,建立了机器人复合越障运动状态的动力学模型.并以车体的运动为控制目标,分析计算了车体、摆臂的运动变化以及驱动力矩的变化.仿真图形验证了机器人具有良好的运动稳定性,为机器人越障过程的控制奠定了基础.     

采用模糊逻辑的移动机器人轨迹跟踪

针对差动轮驱动的移动机器人动力学的高度非线性和运动环境的不确定性,提出了基于模糊逻辑的移动机器人路径跟踪控制方法。该方法通过合理选择模糊控制器的参数和优化规则库,使其输出合适的线速度和角速度,从而控制移动机器人准确地跟踪预规划的路径。提出了两轮差动式移动机器人的动力学模型,使得该模糊控制器对不同几何参数的差动式机器人具有普遍的适应性。在实际场地试验和亚太机器人大赛中验证该方法的有效性。     

一种全方位移动机器人的运动分析与控制实现

为达到在动态环境下,对机器人进行实时控制的目的,提出一种全方位移动机器人运动控制器的设计方法.以足球机器人Robocup作为实验平台,全方位移动机器人作为研究对象,通过研究具有四组正交轮组成的移动机构运动机理,在将机器人运动进行分析的基础上,以数字信号处理器(DSP)为核心,引入专家比例-积分-微分(PID)速度控制器,实现了对机器人的控制.实验结果表明,该设计方法有很好的实时性和一定的鲁棒性,在实际比赛中,实现了对全方位移动机器人的快速、实时、准确控制.