具有拨土功能的轮腿一体化机器人结构设计

针对矿井灾难环境特点,采用三维建模软件设计了一种轮腿一体化机器人.该机器人采用轮腿一体式结构,具备了腿式机器人和轮式机器人的运动优点.分析了在不同环境下机器人采用的行进方式(即机器人步态),增强了机器人的环境适应能力,并且设计了基于多传感器信息的运动控制系统.该系统能够完成灾难矿井下的环境探测、信息获取以及机器人步态控制等功能,为矿难救援工作提供了重要的信息.     

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．     

电动并联六轮足机器人的运动驱动与多模态控制方法

提出一种并联六轮足移动机器人．该机器人设有多模式Stewart型腿结构,其负载能力大,集成了轮式运动和足式运动的优点,可实现足式、轮式、轮足复合式运动．首先,阐述了机器人设计思路,对电动并联六轮足机器人的硬件系统和控制系统进行设计．其次,针对足式运动模式,设计了一套完整的足式“三角”步态和稳定行走算法,该算法可降低足端与地面之间的垂直方向冲击,防止足式运动拖腿或打滑;针对轮式运动模式,设计并介绍了6轮协同控制和轮式协同转向原理;针对轮足复合式运动模式,介绍了变高度、变支撑面、变轮距、主动隔振控制原理,重点分析了主动隔振控制和变轮距控制,可实现主动隔振及姿态平稳控制,提高了机器人在崎岖颠簸地形下的轮足复合式运动的稳定性．最后,对电动并联六轮足机器人的足式、轮式、轮足复合式运动模式进行实验,实验结果验证了本文提出的并联六轮足移动机器人设计的可行性和各运动模式下驱动与控制算法的有效性．     

轮腿式微型机器人系统研究

轮腿复合式机器人是在轮式机器人的基础上,通过优化轮子设计以达到快速灵活运动的一种新型的地面移动系统。该机器人主体由机架、两条主轴、齿轮减速机构、轮腿复合机构组成,由单电机驱动,控制系统相对简单。该机器人相比于普通轮式机器人具有较强的越障能力,且结构精简、体积小、重量轻。采用ADAMS对该机器人进行了运动学和动力学仿真,详细探讨了其越障能力、安装相位、轮腿结构、步态等关键问题,为其物理样机的设计、优化和控制提供了理论依据。     

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。     

基于加速度映射的跳跃机器人稳定性控制

针对腿式机器人,讨论了腿式机器人稳定性控制与稳定性判定准则,基于稳定约束条件零力矩点(ZMP),提出一种干扰下的动态稳定性控制方法.落地冲击是跳跃机器人必须考虑的外干扰.所提出的稳定性控制方法是基于驱动性能约束下腿式跳跃机器人的动态平衡,运用ZMP平面加速度正交映射方法,进行地面冲击力干扰下的稳定性控制,在满足轨迹跟踪的同时保证了系统的动态平衡性.跳跃运动过程中的仿真结果表明,该方法是一种有效可行的腿式机器人抗干扰控制策略.     

具有主动腰关节的四足机器人在间歇性对角小跑步态下的姿态平衡控制

提出一种由前轮腿模块、后轮腿模块和主动腰关节模块组成的轮腿式机器人.研究发现,拥有刚性腰关节模块的轮腿式机器人在以对角小跑步态行进的过程中处于振荡的非平衡态.为此,借鉴四足动物生物学研究成果以及基于ZMP(零力矩点)的实时性摆动补偿轨迹规划,本文利用主动腰关节模块来提高轮腿式机器人在间歇性小跑步态下的稳定性.对上述的轮腿式机器人进行运动学和动力学建模,通过仿真实验证实了添加偏航关节的规律性摆动可以大幅减少和改善机体的倾斜振荡,机体的倾斜幅度由原先的62.2 mm降至12.8 mm,明显提升了机器人在间歇性小跑步态下的运动稳定性.     

轮-腿-履带复合移动机器人的研究

中国科学院沈阳自动化研究所自行研制的灵豹复合移动机器人,采用轮-腿-履带复合移动机构,构建了嵌入式控制系统,设计了模糊控制器控制机器人行走,实现了机械臂的自主联动控制.机器人运动控制更加简便,系统具备良好的适应性和运动稳定性.     

可重构模块机器人倾翻稳定性研究

介绍了一种可重构模块机器人,它可以通过构形的变化来提高系统的稳定性和抗倾翻能力．该机器人由3个模块组成,采用履带驱动,具有直线、三角、并排3种对称构形．在对移动机器人的倾翻因素和倾翻对策等问题进行分析的基础上,提出稳定锥方法,用倾翻性能指数对移动机器人的静、动态稳定性进行综合判定. 讨论了变形机器人3种对称构形在仰俯、偏转、倾斜等干扰组合作用下的倾翻性能指数和综合稳定性,并进行了仿真实验和非结构环境实验．     

新型轮—腿—履带复合移动机构及稳定性分析

为提高反恐防暴机器人对非结构环境的适应能力，设计出了一种具有良好的机动性能和转向性能的新型轮—腿—履带复合移动机构．通过机器人机构分析与本体的稳定性分析，论证了其结构设计的可行性及好的稳定性．     

轮足复合移动机器人运动规划发展现状及关键技术分析

地面移动机器人已经在资源勘探和灾难救援等多领域得到广泛应用,轮足复合机器人能够结合轮式运动速度快、平稳性高和足式运动的高越障性能等多方面优势,在理论创新和工程技术方面均有重要的研究价值.对近年来国内外轮足复合机器人的机械结构进行分析和比较,将轮足机构复合方式分为4类进行列举和总结.针对多模态运动的优势展开分析,列举轮足复合机器人主要采用的运动建模、规划和控制策略,不仅涉及单独的足式运动和轮式运动,同时涉及足端越障、变构型避障、轨迹规划的轮足复合运动.最后对运动规划关键技术进行总结和展望,指出轮足复合移动机器人后续的发展方向、研究思路和所面临的挑战.     

基于姿态角的轮腿机器人驱动控制系统研究

在城市楼道环境中,尤其在面对楼梯等障碍时,五星形轮腿式机器人具有越障能力强、控制简单的优势。为防止机器人在攀爬楼梯时出现较大偏航倾斜,通过仿真软件ADAMS和Simulink中建立了五星形轮腿式机器人的整车动力学模型和PID速度控制模型。结果表明,该联合仿真控制模型能有效、快速地控制机器人速度,减小偏航角度,降低了研究和开发成本。将该驱动控制系统移植到原机器人系统中,并分析了机器人在本控制系统控制下攀爬楼梯等特殊情况下的稳定性能。     

A Wheel-legged Robot with Active Waist Joint: Design,Analysis, and Experimental Results

This paper presents a wheel-legged robot that features an active waist joint. The proposed wheel-legged robot is composed of a front module, a rear module, and an active waist joint. The proposed robot can perform rectilinear motion and turning motion in both wheeled and legged modes. The active waist joint module is added to make the robot pass through the curved narrow channel. Several experiments have been done to evaluate the performance of the proposed wheel-legged robot. The maximum velocities of the proposed robot in wheeled and legged modes are 17.2 and 10.4 m/min respectively. And the average corresponding deflection rates of the proposed robot in wheeled and legged modes are 3.1 and 3.7 % respectively. The mobility efficiencies of the robot in wheeled and legged modes are up to 96.3 and 94.3 % respectively. Compared with the proposed robot in legged mode, the performance in the turning motion with the active waist joint is better when the proposed robot is in wheeled mode. Two approaches of climbing obstacles are proposed for the proposed robot in legged mode. The wheel-legged robot can climb an obstacle with maximum height of 10 cm.     

Neural Approximation-based Model Predictive Tracking Control of Non-holonomic Wheel-legged Robots

This paper proposes a neural approximation based model predictive control approach for tracking control of a nonholonomic wheel-legged robot in complex environments, which features mechanical model uncertainty and unknown disturbances. In order to guarantee the tracking performance of wheel-legged robots in an uncertain environment, effective approaches for reliable tracking control should be investigated with the consideration of the disturbances, including internal-robot friction and external physical interactions in the robot’s dynamical system. In this paper, a radial basis function neural network (RBFNN) approximation based model predictive controller (NMPC) is designed and employed to improve the tracking performance for nonholonomic wheel-legged robots. Some demonstrations using a BIT-NAZA robot are performed to illustrate the performance of the proposed hybrid control strategy. The results indicate that the proposed methodology can achieve promising tracking performance in terms of accuracy and stability.

     

具有悬挂系统的轮腿式机器人设计与分析

设计了一种具有独立悬挂系统和足端缓冲机构的六足轮腿式机器人.该机器人结合了轮式机器人和腿式机器人的优点,同时将汽车的独立悬挂系统的设计思想应用在机器人上,降低了不平整地面对机器人的冲击,并减轻了由此引起的振动,保证了机器人在不同的复杂环境下机身内部环境的稳定.本文对该机器人的机构与结构进行阐述,建立了其运动学模型以及其悬挂系统机构和足端缓冲机构的单自由度振动模型,并对其缓冲机理进行分析对比.通过ADAMS仿真软件在不同地形环境下对其进行动力学仿真分析,验证了在机器人的运动过程中,与足端缓冲机构相比,悬挂系统的缓冲减震效果受地形影响较小,且悬挂系统和足端缓冲机构相结合会比单一缓冲机构具有更好的缓冲减震作用.     

Dealing with internal and external perturbations on walking robots

Up to now, walking robots have been working outdoors under favorable conditions and using very large stability margins to cope with natural environments and intrinsic robot dynamics that can cause instability in these machines when they use statically-stable gaits. The result has been very slow robots prone to tumble down in the presence of perturbations. This paper proposes a novel gait-adaptation method based on the maximization of the Normalized Dynamic Energy Stability Margin. This method enables walking-machine gaits to adapt to internal (robot dynamics) and external (environmental) perturbations, including the slope of the terrain, by finding the gait parameters that maximize robot stability. The adaptation method is inspired in the natural gait adaptation carried out by humans and animals to balance external forces or the effect of sloping terrain. Experiments with the SILO4 quadruped robot are presented and show how robot stability is more robust when the proposed approach is used for different external forces and sloping terrains. Using the proposed gait-adaptation approach the robot is able to withstand external forces up to 58% the robot weight and 25-degree slopes.

半被动双足机器人的准开环控制

目前的被动行走机器人还只能完成单一的步态,且非常容易摔倒,为此对半被动双足机器人的稳定行走控制问题进行了研究．通过结合被动行走和主动控制两种原理的优点,提出了一种准开环的行走控制方法．通过检测安装在机器人足底和髌骨处的接触开关信号,在髋关节处施加一个间断的、微小的开环振荡力矩,进而实现高效的稳定步行．仿真结果表明,当控制参数在较大范围内变化时,双足机器人仍可实现稳定行走,且步行能耗特性与人类相似;通过调节振荡力矩的参数,机器人可实现稳定的行走模式转换．     

Selection, identification and comparison of industrial robots using digraph and matrix methods

In the present work, a methodology based on digraph and matrix methods is developed for evaluation of alternative industrial robots. A robot selection index is proposed that evaluates and ranks robots for a given industrial application. The index is obtained from a robot selection attributes function, obtained from the robot selection attributes digraph. The digraph is developed considering robot selection attributes and their relative importance for the application considered. A step by step procedure for evaluation of robot selection index is suggested. Coefficients of similarity and dissimilarity and the identification sets are also proposed. These are obtained from the robot selection attributes function and are useful for easy storage and retrieval of the data. Two examples are included to illustrate the approach.