多关节蛇形机器人的结构设计和运动实现

针对蛇形机器人整体研制的关键问题，包括材料选取、结构设计和运动实现等，研制了一种新型的多关节蛇形机器人。该蛇形机器人由11个二自由度正交关节构成，可在保证灵活性的同时实现三维高仿生运动。采用蛇形曲线设计了蛇形机器人的蜿蜒、蠕动和翻滚等基本步态，并进一步提出了改进的越障步态。同时，在V-REP软件中对蛇形机器人的步态进行运动仿真，比较了不同步态的运动轨迹和运动效率。最后，通过蛇形机器人样机步态实验，对步态模型中各个控制参数对蛇形机器人运动波形和运动速度的影响进行了分析，验证了蛇形机器人本体结构与控制系统的可靠性。研究结果对实现蛇形机器人的步态规划与运动控制具有重要的理论意义与实际指导价值。     

水下蛇形机器人机构设计及蜿蜒游动研究

仿效自然界蛇在水中的蜿蜒游动,设计了适于水中蜿蜒游动的蛇形机器人样机,并运用蛇形曲线对其蜿蜒游动进行实验研究。首先对蛇形机器人在水中的受力情形进行了分析;其次通过蛇形曲线控制蛇形机器人实现蜿蜒运动,并用依据样机搭建的动力学模型对蛇形机器人蜿蜒游动性能进行了仿真研究;最终对比分析了蛇形机器人在水中蜿蜒游动性能实验与动力学仿真中蜿蜒游动性能试验,验证了建模的必要性,为蛇形机器人的实用化提供了理论技术依据。     

基于Canfield型关节的蛇形机器人运动仿真研究

应用虚拟机器人实验平台(V-REP)构建了一种基于Canfield关节型的运动机构,通过动力学仿真添加关节角度约束对其运动空间轨迹进行了观察与分析。利用该Canfield型机构作为关节模块组建成了蛇形机器人,并对该类蛇形机器人关节运动生成的蜿蜒、转弯和伸缩步态进行了实验研究和分析,为该类蛇形机器人设计提供了可行性。     

蛇形机器人伸缩运动性能研究

为研究蛇形机器人常用的典型步态——伸缩运动的性能与不同摩擦系数环境的关系,分别用单向被动轮和双向被动轮设计正交串联蛇形机器人地面接触机构。通过蛇形曲线公式控制蛇形机器人垂直关节节律实现伸缩运动。通过实验得出了摩擦系数对单向被动轮和双向被动轮接触面型蛇形机器人伸缩运动步态的影响及对应的蛇形曲线参数的调节策略。     

水下蛇形机器人的滑翔运动性能研究

结合水下滑翔机在海洋中的较强续航能力,以及蛇形机器人在水中的良好机动性能,研制了一种具有两者特性的新型水下滑翔蛇形机器人,它具有水下滑翔机续航时间长、航行距离远,以及水下蛇形机器人机动性强、运动灵活的运动特性。对该水下滑翔蛇形机器人的滑翔运动性能进行了试验研究。首先对水下滑翔蛇形机器人的运动原理及关节结构进行了设计分析,其次对机器人的硬件及控制系统进行了结构分析,而且根据动量定理和动量矩定理,对机器人的滑翔运动方程进行了推导,并化简到垂直平面。最后对平衡状态进行了仿真分析,对机器人的运动能力进行了试验验证。试验结果验证了水下滑翔蛇形机器人机构的有效性。     

基于幅值调整法的蛇形机器人避障研究

设计了蛇形机器人及其双向被动轮地面接触机构,给出了相应模块单元工程实现的技术路线,测试了该机器人系统在具体环境中应用蛇形曲线公式参数α完成蜿蜒运动的性能及结合幅值调整法实现转弯的功能.应用红外传感器来感知障碍物的几何特性.针对不同尺寸障碍物采用绕障蜿蜒运动行进策略或顺障蜿蜒运动行进策略实现避障功能.该工作为蛇形机器人实用化提供技术储备.     

蛇形机器人抬头运动分析

蛇形机器人需要抬头运动来获得环境信息。本文将蛇形曲线的蜿蜒运动步伐函数作适当改进后应用到蛇形机器人的抬头运动中,实现了蛇形机器人的动态抬头规划,并建立了动力学方程,对抬头运动的动力学作了分析。对抬头过程中ZMP的分析证明了运动规划的有效性。最后用仿真和实验验证了所提出的理论。     

蛇形机器人的设计及摩擦力对其运动性能影响的分析

为使蛇形机器人的结构和运动形式能够适应各种复杂环境,研究了蛇形机器人运动性能与环境的关系及其运动控制,设计了一种单被动轮为接触面的正交串联蛇形机器人,分析了蛇形曲线参数对其运动的影响,通过实验研究了摩擦系数对其运动步态的影响,得出了蛇形机器人的前行速率随蛇形曲线参数α的增大而增大,随摩擦系数μ的增大而减小的结论,以及蛇形曲线步态参数的调节策略。     

基于相位调整法实现蛇形机器人避障功能的研究

为了提高蛇形机器人在实际环境中的实用性,研究了蛇形机器人的避障功能,并提出了一种基于相位调整的蛇形机器人避障方法。该方法用安装在蛇形机器人头部的红外避障传感器模块检测前方是否有障碍物,若有障碍物,则用相位调整法改变蛇形机器人每个关节的步态相位来控制蛇形机器人的蜿蜒运动以实现转弯,从而避开障碍物。而且应用红外传感器来感知障碍物的几何特性,若感知到大型障碍物,机器人蜿蜒运动行进采用顺障策略实现避障功能,若感知到小型障碍物,采用绕障策略。该研究可为推进蛇形机器人的实用化提供技术储备。     

蛇形机器人蜿蜒运动性能的仿真研究

基于用V-REP仿真软件建立的蛇形机器人动力学模型,对蛇形机器人的蜿蜒运动性能进行了研究。首先通过蛇形曲线控制蛇形机器人实现蜿蜒运动,对关节角度和力矩情况进行了分析,其次通过变化蛇形曲线公式中的起始弯角、体内形成波个数、弧长变化率来观察分析这些参数对蛇形机器人蜿蜒运动性能的影响,最后研究分析了蛇形机器人蜿蜒运动的爬坡、转弯性能,得出了对实现蛇形机器人的实用化有理论、技术意义的结论。     

蛇形机器人平面运动控制方法的研究

介绍了蛇形机器人实现转弯运动的一种新方法——幅值调整法,并用实验验证了该方法。选取位移传感器安装到蛇形机器人的一个单元上,来测量侧向滑动距离和偏转角度。综合幅值调整法和传感器信息,提出了蛇形机器人自主运动控制规律。最后给出计算机仿真结果。     

一种刚/弹耦合的微型蠕动机器人

研制了一种基于SMA驱动的轮式微型蠕动机器人,不同于传统的采用腿式或蠕动式结构的微小型机器人,它采用特殊的刚/弹耦合结构,显著地增大了其移动步距;车轮自锁机构将SMA驱动器的双向运动转换为机器人的单向运动.在车轮自锁机构作用下,SMA驱动器交替收缩与舒张,就可实现机器人的运动.对SMA驱动器所需加热电流及该机器人的运动性能进行了试验分析.试验证明,在刚/弹耦合结构作用下,机器人的移动速度提高近一倍.     

基于GPS的蛇形机器人导航方法

将GPS技术应用于蛇形机器人自主运动控制。根据蛇形机器人的基本运动方式,针对其现有的前进、后退、近似角度转弯等运动特点,提出了一种适用于该种蛇形机器人的自主移动算法,即用蛇头运动的方向近似看作蛇体运动方向。通过仿真验证了该算法的有效性,能够使蛇形机器人自主地到达目标点。     

三自由度并联分拣机器人的动力学建模与仿真

目的 针对自动化生产线上分拣机器人的动力可控性问题,提出一种2UU-UPU三自由度并联分拣机器人,以提高分拣的精度可控性。方法 分析该机器人的机构自由度,以及各参数之间的关系,基于闭环矢量法建立并联机构的运动学逆解模型;利用拉格朗日动力学方程推导该机器人的动力学表达式,并进行数值计算,采用Matlab Simulink和Adams进行动力学联合仿真,对理论值和仿真值进行误差分析。结果 揭示了该机器人动平台的运动规律,得到了驱动力矩曲线,理论值与仿真值的误差较小,3个驱动力矩的最大误差分别为0.379%、0.283%、0.146%。结论 通过验证可知,该机构具有较好的动力学特性,这为后续电机的选型和精准控制奠定了基础。     

基于多传感器融合信息的移动机器人速度控制方法

为提高移动机器人在复杂环境下的速度控制精度和适应能力,提出了一种基于多传感器融合信息的移动机器人速度控制方法。首先,根据多传感器非线性优化融合理论,通过最小化运动观测残差的方法来构建移动机器人运动状态优化估计模型。然后,对利用单目相机、轮式里程计及惯性测量单元（inertial measurement unit,IMU）观测移动机器人运动的方法进行介绍,并计算了各传感器对移动机器人运动的观测残差及其雅可比矩阵。最后,结合移动机器人运动状态估计信息与增量式PID （proportion integration differentiation,比例积分微分）控制策略,设计了移动机器人速度控制系统,并通过多项试验验证了该控制系统的性能。试验结果表明,所提出的移动机器人速度控制方法有效减小了速度估计误差,较基于轮式里程计信息的速度控制方法在精度与稳健性方面有较大提升。研究结果对提升移动机器人在复杂环境下的工作性能有显著意义。