蛇形机器人的机构设计及运动分析

蛇形机器人以其独特的身体结构和运动形式能够适应各种复杂环境。为了验证蛇形机器人的运动能力,设计了一种前进中可做周期性运动的蛇形机器人,重点讨论了其关节机构的设计和运动原理;通过建立蛇形机器人运动的数学模型,并结合其运动的周期性,详细分析了三连杆模型的运动步态特性。研究结果表明,三连杆运动步态提高了蛇形机器人的运动能力。     

一种周期性运动蛇形机器人的运动规划及实验研究

设计完成了一种可作周期性前进运动的蛇形机器人,按照蛇形机器人运动要求,分析规划了其运动模式,对其关节角运动周期性等关键问题进行了较为深入地研究。最后,在建立蛇形机器人动力学模型的基础上,设计制作了蛇形机器人,并进行了实验研究。研究结果表明:所用规划方法为蛇形机器人的运动设计提供了一种成功的思路,其运动实现取得了良好的效果。     

水陆两栖蛇形机器人的研制及其陆地和水下步态

针对沼泽、浅滩等复杂环境对蛇形机器人的环境适应需求,在广泛分析国内外水陆两栖蛇形机器人研究最新进展的基础上,研发一种新型水陆两栖蛇形机器人。该机器人由9个具有密封设计的万向运动单元组成,保证了样机在陆地和水中均能灵活运动。基于简化的蛇形曲线得到水陆两栖蛇形机器人的基本二维运动步态即蜿蜒运动。对两个垂直平面上,即水平面和竖直面上基本步态进行复合,由基于启发式思想的三维步态生成方法,得到包括侧向蜿蜒等运动的水陆两栖蛇形机器人的多种陆地步态和水下步态,其中S形翻滚运动和螺旋翻滚运动为蛇形机器人的两种新型步态。通过步态试验验证了水陆两栖蛇形机器人的陆地和水下运动能力。在试验过程中,对陆地和水下步态的性能做出分析,分析结果对水陆两栖蛇形机器人在陆地和水下运动的位置和姿态控制具有重要意义。     

一种新型模块化可重组机器人的设计与研究

提出了一种模块化可手动重组机器人机构，该机构具有结构简单，控制方便，成本低廉等优点。基于模块化设计，使机器人具有多自由度和灵活的变形能力，可以很好地适应环境的变化，完成不同的任务。通过模块间的分离和对接，可实现蛇形、履带形和4足形等多种仿生结构。通过实验证明，该结构可以通过手动重组能够较好的完成蛇形蠕动、履带形滚动和4足爬行3种运动步态。     

水质检测蛇形机器人设计及稳定性分析

为了对水产养殖定期监控和检测，保证水质安全，减小人工成本，提高工作效率，让水产养殖监测更便捷、更智能，研发出一种新型水下水质检测蛇形机器人。机器人主要由伸缩机构、移动机构、信号采集传输机构和控制机构组成，搭载水质监测传感器，可以在复杂环境下对水质、水环境信息进行实时采集。首先通过Solidworks软件对蛇形机器人主要机构三维建模，完成沉浮结构设计，其次通过Solidworks软件对机器人的重心和浮心分析并对水下蛇形机器人的稳定性进行了分析，确保伸缩单元上浮和下沉并实现俯仰和蜿蜒运动。为此，加工出样机，并进行稳定性运动试验，通过俯仰、调姿、上浮试验表明：在3km传输距离内，蛇形机器人各关节没有发生倾覆运动，上浮速度和下潜速度移动速度为0～1m/s，根据工作时的角速度、速度、俯仰角轨迹曲线,也表明该水质检测巡航蛇形机器人能实现多点可追踪稳定姿态工作。     

具有万向机构的蛇形机器人运动控制

设计了一种能够使蛇形机器人运动更灵巧、奇异点更少和运动能力更强的机构．对具有三个自由度的新型蛇形机器人单元进行了改进，在单元上增加被动轮机构，使其具有万向机构的特点。该单元不仅能够用被动轮驱动机器人运动．而且增加了类似于主动轮的驱动机构．克服了被动轮驱动能力弱的缺点，增强了机器人的运动能力。在分析非完整约束的基础上，对蛇形机器人的运动学和冗余度进行分析，提出了控制该类蛇形机器人运动的分解矩阵方法和分组交替运动法。     

三维蛇形机器人巡视者Ⅱ的开发

蛇形机器人具有比传统移动机器人更强的运动能力,为实现机器人的三维运动而开发的蛇形机器人巡视者Ⅱ是一个具有强驱动力和高机动性的三维蛇形机器人.它由具有3自由度的模块化单元组成,该单元具有俯仰、偏航和回转3自由度,单元的俯仰和偏航运动是通过由3个伞齿轮组成的差速机构耦合驱动.该单元的圆柱形外壳周围安装有一系列的被动轮来增加机器人运动灵活性.对蛇形机器人模块单元的自由度作了详细分析,并基于机器人的运动机动性设计三维蛇形机器人的单元结构.给出蛇形机器人的控制系统结构,并对耦合变量进行解耦.将蛇形机器人的蜿蜒运动和扭转运动两种基本步伐应用到巡视者Ⅱ上,试验结果证明了该三维蛇形机器人具有很强的机动性和运动能力.     

模块化蛇形避障机器人控制系统研究

为了能够让机器人适应复杂多变的环境，设计一种能够在多重复杂的障碍物中前行运动并完成侦查任务的新型可移动柔性蛇形机器人。采用用于整体控制的Atmega128单片机和局部电机控制的Atmega8单片机相通信以及重构模块化控制结构的方式，使蛇形机器人具有多步态运动能力。通过分析避障原理，设计了机器人的机械和电气部件，使其能够以高集成化的特点在复杂环境中完成特定的任务。     

一种仿生蛇形机器人的结构设计

蛇形机器人能够在复杂的环境中运动。通过对蛇的身体结构、运动特点进行分析,对其骨架进行仿真抽象,设计了一种采用行星齿轮差动结构且具有三自由度的仿生蛇形机器人。此种结构蛇形机器人利用舵机以不同速率转动驱动行星齿轮差动耦合可实现俯仰、偏航、回转等运动,配备以传感器感知外界环境,具备驱动能力强、传动精度高等优点。通过UG建立了相应的虚拟样机并分析得出了临界转角等技术参数。     

一种新型蛇形机器人的设计研究

通过对生物蛇运动的分析,研究出了一种新的蛇形机器人运动方案,设计了相应的蛇形机器人机械结构与控制系统,并进行了蛇形机器人的运动规划研究,最终制作了蛇形机器人样机。     

蛇形机器人的转弯和侧移运动研究

介绍了沈阳自动化研究所研制的蛇形机器人机械结构和控制结构。在分析蛇形曲线的基础上,提出幅值调整法、相位调整法和侧移调整法三种新方法,来处理蛇形机器人侧向滑动带来的方位偏转和完成蛇形机器人自主转弯控制,并给出几种方法的量化关系,建立动力学仿真模型进行了运动仿真。幅值调整法虽然使蛇形机器人转弯角度受到限制但却保证了运动的连续性和稳定性。相位调整法能够使蛇形机器人准确地完成转弯运动。侧移调整法能够实现蛇形机器人前进过程中的侧向位置调整,同时保证运动方向的准确性。将上述方法应用到蛇形机器人的控制中,用仿真和试验验证了以上方法的有效性。     

蛇形机器人蜿蜒运动的摩擦机理及推进条件

针对带有从动轮的蛇形机器人,考虑实际结构中从动轮在蛇形机器人关节连杆上的安装位置,建立蛇形机器人蜿蜒运动的动力学模型。提出一种库伦-粘滞混合摩擦力模型,整体的库伦摩擦力特性和临界点处的粘滞摩擦力特性,避免了库伦摩擦力模型本身的非光滑性,以提高动力学模型的求解效率与计算稳定性。基于改进的动力学与摩擦力模型,利用摩擦系数比来表征法向与切向摩擦力的各向异性程度,通过对蜿蜒运动的仿真分析,讨论了摩擦系数比对前向运动速度与推进效率的影响规律,并对运动过程中蛇形机器人各个关节模块的速度和摩擦力变化进行了分析,明确了蛇形机器人蜿蜒运动的摩擦学机理,解释了蛇的蜿蜒抬起运动能够有效减少摩擦阻力而适用于高速运动的原因。最后通过带从动轮的蛇形机器人样机实验,对实现蜿蜒运动的摩擦学推进条件进行了验证。研究对于实现蛇形机器人的结构优化,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。     

三连杆轮式蛇形机器人设计及运动分析

为了克服被动轮驱动蛇形机器人运动能力弱的缺点,提出了一种新型三连杆主动轮驱动蛇形机器人。该蛇形机器人由多个被动关节连接的串联连杆组成,每个连杆的中心都有一个主动全向轮。全向轮的驱动力只作用于横向,而机器人则沿纵向运动。此外,针对该蛇形机器人具有非完整约束和欠驱动的特点,采用局部坐标系,设计了一种带有防滑功能的运动控制器,使运动和关节角度互不干涉。蛇形机器人蜿蜒爬行实验结果表明,所提出的设计是可行的,且运动控制器有效避免了全向车轮的打滑问题,提高了整个系统的稳定性。     

蛇形机器人动力学建模的虚设机构法

基于应用影响系数和虚功原理,通过虚设动力机构提出一种蛇形机器人动力学建模方法,导出考虑骨节侧向滑动条件下的蛇形机器人二阶非完整约束方程。应用这种方法无需进行繁琐的求导或消元运算,可直接基于所给公式编程进行蛇形机器人正逆双向动力学仿真,从而为研究蛇形机器人的动力耦合特征和开发具有二阶非完整约束的蛇形机器人的运动控制器,提供一种实用有效的方法。该方法不仅适于平面运动蛇形机器人,还可进一步推广实现空间运动的蛇形机器人的动力学建模与仿真。     

蛇形机器人桥梁缆索攀爬步态控制研究

使用基于迭代链拟合与关键帧提取的蛇形机器人缆索攀爬步态生成方法,对一种正交关节蛇形机器人桥梁缆索攀爬步态控制进行了研究。该方法可建立蛇体骨干曲线定向位移与底层驱动器输入之间的联系,可将传统的骨干曲线法和控制函数法两种步态生成方法的优点有效地结合。使用该方法生成步态既可直观地得到骨干曲线的形状及运动趋势,又可得到以关节号和时间为变量的控制函数。该方法可有效提高蛇形机器人桥梁缆索攀爬的安全性、步态灵活性,同时,也便于控制底层驱动器。最后,通过实验验证了所提出方法的有效性。     

一种新型的机器人移动结构

给出一种四周履带式或四周轮式的机器人移动机构。以蛇形机器人为例,则是在它的顶面、底面和二个侧面均安装有履带或轮式移动机构。该机构的特点是在机器人发生倾翻、侧面碰到障碍物或走在“V”形路面上的情况下,均能继续移动。这种结构也可应用到其他移动机器人上。