桥梁缆索检测蛇形机器人攀爬运动分析与实现

为方便实现对桥梁缆索的检测和日常维护任务,利用蛇形机器人良好的适应性,通过研究其控制规律,给出了一种简单的并可实现蛇形机器人沿缆索进行螺旋攀爬运动的控制函数.分析了螺旋攀爬运动中控制参数与螺旋参数之间的关系,利用粒子群优化算法对控制参数与螺旋半径、螺旋上升角、螺距之间的关系进行优化拟合,给出了拟合函数.通过Webots...     

基于Webots的蛇形机器人翻滚运动仿真及实现

针对蛇形机器人的侧向翻滚运动,给出一种建立正交关节蛇形机器人三维空间运动模型的方法,提出了一种更为简单的实现蛇形机器人侧向翻滚运动的舵机输入函数.通过选择不同的控制参数,可以实现蛇形机器人"U"字形和"V"字形侧向翻滚运动.在Webots移动机器人仿真软件上进行正交关节蛇形机器人翻滚运动仿真,并在蛇形机器人本体上进行试验,验证了所提控制规律的有效性.     

攀爬蛇形机器人爬树的静态机理研究

为了研发一种新型的、在垂直外攀爬方面有较大优势的攀爬蛇形机器人,提出一种具有万向节功能的P-R（pitch roll）模块,该模块结构简单、便于控制.相对于采用传统的平行连接和正交连接的机器人,基于该模块的蛇形机器人能够更为轻松和灵活地附着于攀爬对象外壁.对基于P-R模块的攀爬蛇形机器人爬树的基本姿态进行静态平衡机理分析,得到相关参数的函数关系,为攀爬蛇形机器人样机的研制和攀爬对象的选择提供了理论依据.最后通过实验验证了P-R结构的有效性及相关分析的合理性.     

蛇形机器人蜿蜒运动控制分析

针对蛇形机器人的蜿蜒运动控制,首先分析了关节角度约束对运动控制函数参数取值的限制,确定了满足机械结构的运动控制参数范围;之后在Adams仿真环境下,建立蛇形机器人的三维虚拟运动模型,进行蜿蜒运动仿真,通过分析幅值控制参数对蛇形机器人弯曲度、运动速度和运动轨迹偏移的影响,提出了调整幅值参数的方法;实验结果表明,调整方法的有效性,从而实现蛇形机器人蜿蜒运动控制的优化。     

基于双层级CPG的3维蛇形机器人运动控制方法

为实现3维蛇形机器人多模式运动控制,提出了一种基于双层级中枢模式发生器(CPG)的运动控制方法.该双层级CPG网络包含节律层和模式层,节律层的CPG神经元用于控制3维蛇形机器人的俯仰关节组和偏转关节组的相位关系,模式层的CPG神经元用于控制3维蛇形机器人关节组内各个关节的相位差及关节轨迹.首先,利用Kuramoto振荡器对CPG神经元进行建模,并确定CPG网络的层级结构和耦合拓扑;然后,基于蛇形约束曲线计算3维蛇形机器人侧滚运动、侧移运动、滑行运动及转向运动4种典型运动步态的控制参数;最后,通过联合仿真和实验验证该双层级CPG网络的控制性能.由实验结果可知,3维蛇形机器人的侧滚运动、侧移运动、滑行运动以及转向运动的实际速度分别能够达到3.9 cm/s、9.0 cm/s、2.1 cm/s和10.8°/s.因此,该方法能够有效地、灵活地控制3维蛇形机器人的多模式运动.     

形状记忆合金驱动的蛇形机器人运动仿真研究

基于Serpenoid 曲线建立了蛇形机器人行波运动和攀爬运动的运动学、动力学模型,根据模型提出一种具有万向节功能的pitch-roll 模块,利用形状记忆合金驱动器具有结构小和只受温度变化影响两大特点建立了蛇形机器人关节。应用MSC/ADAMS 虚拟样机软件对基于形状记忆合金驱动蛇形机器人进行行波运动和攀爬运动的动力学分析,并对仿真过程中遇到问题提供了解决办法。模型仿真效果非常理想,完全达到设计要求,为下一步研制物理样机提供了理论指导,也为其他仿生机器人的研究提供了参考。     

蛇形机器人在缆索检测中螺旋滚动步态的研究

提出了一种检测桥梁缆索的方式,利用蛇形机器人在缆索上螺旋滚动步态的优点,检测缆索表面和内部损伤,克服传统的桥梁缆索检测方法的不足。研究了蛇形机器在缆索上螺旋滚动步态的实现,确定了螺旋滚动曲线的参数与蛇形机器人螺旋滚动姿态的关系。通过参数的调整和优化,使蛇形机器人既不会抱得过紧而损伤缆索,而降低蛇形机器人的运行速度和消耗蛇形机器人更多能量,又不会抱得太松而使蛇形机器人从缆索上滑落,而降低蛇形机器人在缆索上运动的安全性。最后通过Webots仿真软件的模拟真实环境,表明了蛇形机器人可以在桥梁缆索上实现螺旋运动,且螺旋运动可以适应不同直径的缆索,通过改变参数,可优化和调整蛇形机器人的螺旋形状,使蛇形机器人模块选择灵活、运动的安全和高效。     

基于ROS的蛇形机器人基本仿生运动与自主爬台阶控制

设计了一种带正交关节和主动轮组合的蛇形机器人。该机器人不仅能够实现基本的蜿蜒运动、纵向行波运动、横向翻滚运动和横向行波运动,且针对台阶式障碍物提出了一种自主爬越台阶的控制策略。机器人通过激光测距传感器与头部关节的仰角得到台阶高度,抬起相应高度的关节将头关节搭在台阶上,控制主动轮的推进速度与关节抬起的角速度相结合的方式达到上台阶的目的,并且在运动过程中将头部俯仰关节舵机的负载反馈作为判别下台阶的条件。基于ROS （robot operating system）构建了蛇形机器人仿真模型,并通过仿真与实验验证了机器人的基本运动控制和自主爬台阶控制策略的有效性。     

新型蛇形机器人蜿蜒运动的动力学分析

为提高蛇形机器人执行各种运动的能力,研制了新型蛇形机器人系统．重点研究了该蛇形机器人的动力学．建立了机器人的运动学模型,并根据运动学模型提出了控制蛇形机器人蜿蜒运动的复合运动控制方法．用拉格朗日方法建立动力学模型,对不同参数下蛇形机器人的关节力矩特性和摩擦力特性进行了分析比较,为蛇形机器人的有效运动提供了理论依据．     

基于Hopf振荡器实现的蛇形机器人的步态控制

针对生物蛇不同步态的运动特点,提出了一种基于Hopf振荡器实现的蛇形机器人的中枢模式发生器(CPG)运动控制方法.首先,利用具有非线性极限环特性的耦合的Hopf振荡器构建出能够实现蜿蜒运动和侧向蜿蜒运动两种步态的链式网络模型.然后,根据动力学仿真软件建立机器人的虚拟样机,利用模型中振荡器的输出作为蛇形机器人分布式多冗余度关节的控制信号来驱动前进,成功实现了以上两种运动方式,并讨论了CPG的模型参数与机器人前进速度的关系.最后,在实物样机上的实验进一步验证了所提出的方法在实现蛇形机器人多种步态控制方面的有效性.     

NSGA-Ⅱ在蛇形机器人中的优化与控制

研究蛇形机器人蜿蜒运动步态的优化与控制问题。结合摩擦力模型,并分析蛇形机器人运动步态模型,根据基于闭环反馈的控制系统结构运用PID控制器对其步态进行跟踪控制,在此基础上采用基于非支配排序遗传算法(NSGA-Ⅱ)对步态进行优化,该优化方法实现对闭环反馈跟踪控制系统的参数优化。仿真结果表明,NSGA-Ⅱ算法能达到变量优化目的,在功率和速度之间寻找最优值,对于解决蛇形机器人运动步态多目标优化问题是可行有效的。     

Adaptive creeping locomotion of a CPG-controlled snake-like robot to environment change

In this paper, we present a biomimetic approach which is based on Central Pattern Generator (CPG) to solve the difficulty in control of a snake-like robot with a large number of degrees of freedom. A new network with a feedback connection is proposed, which can generate uniform outputs without any additional adjustment. The relations between the CPG parameters and the characteristics of output are also investigated. A simulation platform is also established for the analysis of the CPG-based locomotion control of a snake-like robot. To figure out adaptive creeping locomotion of the robot to the environment with changed friction or the given slope, the relations of CPG parameters and locomotion efficiency by the proposed curvature adaptive principle have been discussed.     

基于循环抑制CPG 模型控制的蛇形机器人三维运动

具有三维运动能力和独特的节律运动方式，使生物蛇能在复杂的地形环境中生存. 大多数动物节律运动是由中央模式发生器(Central pattern generator, CPG) 控制的. 以此为理论依据, 首次以循环抑制建模机理构建蛇形机器人组合关节运动控制的CPG 模型. 证明该模型是节律输出型CPG 中微分方程维数最少的. 采用单向激励方式连接该类CPG 构建蛇形机器人三维运动神经网络控制体系，给出该CPG 网络产生振荡输出的必要条件. 应用蛇形机器人动力学模型仿真得到控制三维运动的CPG 神经网络参数，利用该CPG 网络的输出使\勘查者"成功实现三维运动. 该结果为建立未探明的生物蛇神经网络模型提供了一种全新的方法.     

蛇形机器人步态产生及步态分析

以简化的Serpenoid曲线为基础,并根据蛇形机器人的3维运动由其水平和怪直两个平面的运动合成的理论,提出了一种蛇形机器人的3维步态产生方法.通过实验验证了各种步态,并在实验中得到了蛇形机器人各种步态的运动特性与相应的运动控制方程参数之间的关系.在实验中,得到了一种新步态,并将其命名为螺旋步态.对于螺旋步态,利用运动...     

Analysis of creeping locomotion of a snake-like robot

Snakes perform many kinds of movement adapted to the environment. Utilizing the snake (its forms and motion) as a model to develop a snake-like robot, that performs the snake's function, is important for generating a new type of locomotion and expanding the possible uses of robots. In this study, we developed a simulator to simulate the creeping locomotion of the snake-like robot, in which the robot dynamics is modeled and the interaction with the environment is considered through Coulomb friction. This simulator makes it possible to analyze creeping locomotion with normaldirection slip, adding to the glide along the tangential direction. Through the developed simulator, we investigate the snake-like robot creeping locomotion which is generated only by swinging each of the joints from side to side and discuss the optimal creeping locomotion of the snake-like robot that is adapted to the environment.     

基于能量的蛇形机器人蜿蜒运动控制方法的仿真与实验研究

能量作为最基本的物理量之一, 联系着蛇形机器人蜿蜒运动的各个方面. 能量耗散描述了环境交互作用, 能量转换对应着运动的动力学过程, 能量平衡反映了蜿蜒运动的协调性. 提出一种基于能量的蛇形机器人蜿蜒运动控制方法-被动蜿蜒. 通过输出关节力矩控制机器人蜿蜒运动, 由机器人的能量状态调整力矩的大小. 仿真结果显示了被动蜿蜒控制下机器人的构形、角度、力矩、能量状态和转弯特性, 并对控制力矩进行了递归分析. 基于Optotrak运动测量系统构建了被动蜿蜒控制的模拟/物理混合实验系统. 进行了移动实验和拖动实验, 前者改变环境的摩擦特性,后者改变机器人的负载. 仿真和实验验证了蛇形机器人被动蜿蜒控制的有效性和适应性.     

Locomotion of snake-like robots using adaptive neural oscillators

This paper proposes a CPG-based control architecture using a frequency-adaptive oscillator for undulatory locomotion of snake-like robots. The control architecture consists of a network of neural oscillators that generates desired oscillatory output signals with specific phase lags. A key feature of the proposed architecture is a self-adaptation process that modulates the parameters of the CPG to adapt the motion of the robot to varying coefficients of body-ground friction. This process is based on the frequency-adaptation rule of the oscillator that is designed to learn the periodicity of sensory feedback signals. It has an important meaning of establishing a closed-loop CPG much more robust against environmental and/or system parameter changes. We verify the validity of the proposed locomotion control system employing a simulated snake-like robot moving over terrains with different friction coefficients with a constant velocity.