一种斜推式爬墙机器人的分析与设计

为解决爬墙机器人载重小、效率低等问题,提出了一种利用涵道风扇的斜推力使机器人吸附在墙面的爬墙原理,并制作了一款样机验证原理的可行性。这种爬墙机器人的风扇推力与墙面之间有一个夹角,将推力分解成沿墙面竖直向上的分力和垂直于墙面的附着力。机器人依靠风扇向上的分力和因附着力产生的摩擦力的合力而停附在墙面。通过实验,机器人停附在墙面上所需推力小于自身重力,推力的利用率高。     

基于STM32的爬墙机器人的设计

为了实现搭载各种轻质量设备进行垂直墙面和水平墙面作业,设计了一种以STM32单片机为控制核心、使用真空吸附原理的多足爬墙机器人。采用UG建模的方法进行机械结构的设计,通过样机实验的方法研究机械结构和控制系统存在的问题,研发出了适合常规工业用的爬墙机器人。     

液压推进型水下机器人的运动控制方法研究

针对液压推进型水下机器人的定向控制问题,对液压推进器的比例滞环、机器人多自由度运动模型、控制器设计等方面进行了研究,提出了液压推进器转速PI控制与ROV定向PID控制相结合的控制方法;在Matlab/Simulink中建立了海马号水下机器人的六自由度动力学模型,并设计了带螺旋桨转速PI闭环的定向控制器;该定向控制器包括控制手柄输入、定向PID控制器、推力分配及合成矩阵、螺旋桨转速PI控制器等,利用仿真试验模型对控制器进行了抗干扰测试。仿真结果表明:所提出的复合PID控制器可显著减小由于液压推进器推力不一致引起的定向角度控制误差,具有比常规PID控制器更好的控制性能。     

可重构磁耦合水下推进器的磁场分析及性能评估

在保证微小型水下机器人运动灵活的同时,降低矢量推进器机械复杂性,改善其防水密封问题,设计了一款可重构磁耦 合的水下矢量推进器。 基于磁耦合非接触式动力传输,解决了驱动电机与螺旋桨之间的防水问题;与此同时,采用重构机构在 两自由度内改变螺旋桨位姿,实现了可重构矢量推进水下机器人的目的。 在建立磁耦合磁场模型的基础上,通过 ANSYS Maxwell 磁场仿真与搭建的磁转矩测量装置,验证了磁场建模的正确性并分析了重构机构对磁耦合动力传输磁转矩的影响。 在 此基础上,进一步搭建了螺旋桨水下测力装置,评估了转速与推力以及不同重构角下最大矢量推力的变化情况。 结果表明,推 进器能够在[-15°,15°]两自由度可重构角范围内稳定地输出矢量推力。     

负压吸附式爬墙机器人关键参数确定方法的研究

通过对负压吸附式爬壁机器人静止在墙面上的物理模型进行分析,得出负压吸附式爬墙机器人设计中机器人质量、底盘面积、底盘周长、负压发生器间隙、接触面摩擦系数及负压产生装置的风量等关键参数之间的理论关系,同时给出了求解最小压强差和最大间距的理论计算公式。通过实验样机设计验证了理论关系式的正确性,同时给出了各参数的确定方法,为负压吸附式爬墙机器人的设计提供了理论指导。     

2P3R型机器人运动学及工作空间分析

针对目前企业中存在的人工打磨大型船用螺旋桨叶面效率低、质量不均匀以及工人劳动强度大等问题,提出了一种用于加工大型船用螺旋桨叶面的2P3R型5自由度工业机器人,建立了其完整模型。将末端执行器考虑在内,采用改进D-H法建立了机器人正运动学数学模型并求得其正运动学方程。基于蒙特卡罗法,在Matlab环境下,利用机器人工具箱对机器人工作空间进行求解,描绘出该机器人末端刀具可达工作空间点云图。通过曲面拟合与空间包容对比,结果表明,所设计的2P3R型5自由度工业机器人能够实现对直径4~10 m的大型船用螺旋桨单个桨叶上表面的全部覆盖,为后续对大型螺旋桨加工机器人的运动控制与路径规划等研究奠定了基础。     

小型球形水底观测机器人设计分析与实现

面向水底信息获取和环境观测需求,基于球状壳体抵抗水压能力强,转动水阻力小,便于姿态控制特点,提出球形水底观测机器人构型,由螺旋桨推进、姿态调节和复合滚动装置组成欠驱动六自由度水下移动平台,球壳作为密闭舱保护内部电子器件,结合重摆以滚动形式实现水底滚动。通过对机器人流体力学仿真计算出水动力系数并建立水下动力学方程,进一步对机器人的螺旋桨推进、飞轮转向和球壳滚动进行分析,得出球壳优化尺寸以及飞轮匹配惯量和球壳滚动特性。基于球形机器人水下移动平台和地面监控软件的水底观测系统架构,研制出球形水底观测机器人原理样机,结合机器人的构型和运动特点制定出降落、滚动和调姿三段式水底运动观测策略,水池试验表明设计的球形水底观测机器人水中推进速度可达到1.4m/s,水底移动速度可达到0.5m/s,姿态调节速度可达到30°/s,能够实现水底图像采集,辅助岸上科研人员执行水底观测任务。     

基于能耗目标优化的多足爬墙机器人足力控制研究

针对多足爬墙机器人高空极限作业时需解决的能耗问题,提出了基于能耗性优化的多足爬墙机器人足力控制方法。以八足爬墙机器人为例,从机器人作业的安全性和能耗性角度描述了多足爬墙机器人的足力优化模型,实现了多足机器人的关节驱动力和足底接触力的转换,有效地减少了优化变量的数量,简化了优化的计算。通过分析多足爬墙机器人的关节驱动力约束和动力学约束,建立了机器人总电机功率与机器人运动步态及作业环境(包括攀爬角度与吸附平面的粗糙度)的关系。并综合考虑了爬墙机器人吸附安全等特殊性,对机器人的足底接触力进行优化,提高机器人对环境变化及支撑腿数量变化的适应能力,降低关节驱动电机的能耗,实现了机器人电机总能耗最小化的目标。实验仿真结果证明了所提出的控制方法简单可行。     

可重构磁耦合推进水下机器人设计与性能评估

为了经济高效地实现矢量推进,提高水下机器人的机动性能,设计了一种新型矢量推进水下机器人。该机器人采用两个可重构磁耦合推进器作为推进系统的主动力单元,每个推进器都具备两个自由度的矢量重构能力,相较于传统水下机器人,拥有更高的可操纵性和灵活性。本文通过建立推进系统模型,完成了机器人的运动规划,并利用测力实验装置,对机器人的动力性能进行了评估。在此基础上,对机器人进行了前进、偏航、上浮、下潜等多自由度的运动控制实验。实验结果表明,该机器人能够高效地实现多个自由度的运动,新型可重构磁耦合推进器能够稳定的提供矢量推力,验证了该设计方案的可行性。     

基于Solidworks可重组模块化并联机器人CAD系统开发

介绍了在VB集成开发环境下开发基于SolidWorks的可重组模块化模块化并联机器人CAD系统的全过程.利用此系统,用户只要输入基本的构型参数即可快速地实现3至6自由度对称和非对称平面式、立方体角台式、球面式、台体式等多种类型的并联机器人的统一模块化重组.因此不仅实现了多自由度多构型空间并联机器人三维模型参数化设计,更为空间并联机构可重组和型综合提供了一种快速、有效的方法.     

空间多机器人协同运动规划研究

面向空间在轨装配任务提出基于优先级的多机器人协同运动规划方法。多机器人系统包括一个7自由度操作机器人和一个13自由度超冗余照明机器人。采用两种规划方法规划高优先级的操作机器人,即关节空间点到点的离线路径规划和基于伪逆的笛卡尔空间在线运动规划。针对低优先级的超冗余照明机器人,将操作机器人视为已知障碍,采用基于A~*算法和末端轨迹跟随的可重构运动规划方法,将运动规划分解为末端路径规划和机器人各关节对轨迹的跟随问题,并验证算法的可重构性。采用具有特定运动学形式的机器人模型进行仿真试验,仿真结果表明,提出的各个机器人的运动规划方法均能有效满足任务需求,且照明机器人的运动规划算法具有可重构性,多机器人系统基于优先级的协同策略能够满足空间在轨装配任务需求。     

基于改进脊线法的超冗余机器臂逆运动学求解

针对传统机器人尺寸大、自由度少,无法在狭窄空间内作业的问题,设计了一种基于新型球形关节串联而成超冗余机械臂,每个球形关节具有两个正交旋转自由度。因超冗余机械臂自由度数远多于传统机器人,无法用D-H法对其进行逆运动学求解,本文考虑机械臂运动过程中障碍物的影响,对脊线法进行改进,提出基于改进脊线法的超冗余机械臂逆运动学求解算法,利用Matlab对空间脊线及超冗余机械臂逆运动学进行数值仿真。研究结果表明,该算法考虑了障碍物的影响,改进了超冗余机械臂逆运动学脊线法,保证了超冗余机械臂的灵活性。     

基于分形模型的多维空间降维研究

在移动机器人的路径规划中,通常把现实中的三维空间以及多自由度的移动机器人,直接压缩在二维平面以降低算法的复杂性。栅格法是应用最广泛的方法,在划分栅格时障碍栅格位置和数量以及多自由度机器人步长的判断依据是非常重要的。拟采用分形算法,将机器人的工作空间以及多自由度的机器人本身,转换为二维平面,并以此作为空间中栅格划分和机器人步长判定的依据。从而保证了在二维平面所得到的机器人规划路径,在空间中仍是无碰撞的路径。     

内外驱动兼备的球形机器人结构设计

球形机器人是机器人运动方式的突破,其最大的特点是运动方式特殊,球形的外壳将使机器人能在失稳后获得最大的稳定性,球形机器人能用最少的自由度以欠驱动的方式实现全方位运动.针对目前球形机器人能源供给问题,提出一种内外驱动兼备的充气球式球形机器人,以外部自然风力为主要驱动力、内部电机驱动为辅助动力,兼具外部风能驱动和内部电机驱动的优点,较好地解决能源供给和自主运动的问题.通过对运动原理和设计方案的分析研究,完成球形机器人的结构模型及主要零部件设计.     

气动爬墙机器人

本文根据真空吸附原理，采用先进的气动元器件设计一个能在垂直墙面上，通过脚步行进方式，在四个方向垂直移动的气动爬墙机器人。其控制系统采用可编程控制器，实现5个基本动作的逻辑控制和顺序控制。     

复合式驱动小型两栖机器人水下运动控制研究

针对两栖环境中机器人多自由度灵活稳定运动的需求,设计了一种具有"轮-腿-矢量喷水"复合驱动机制的小型两栖球形机器人。首先介绍了机器人的主要结构组成:一个密闭的上半球壳、两个可开关的1/4球壳、4条复合式驱动腿以及滑行模块等;其次,对球形机器人的复合驱动机制进行分析和建模;接着,根据水下环境和机器人的特性,设计了基于传统PID算法的神经网络自整定控制算法;最后,在室内水池中进行了机器人运动的实验测试。实验结果表明,机器人在水中运动性能良好,运动轨迹和姿态角误差在控制器接受范围之内。所提出的具有复合驱动机制的自主式两栖球形机器人,在滨海两栖环境的资源勘测等方面具有广阔的应用前景。     

基于动态免疫模糊聚类的金属焊缝缺陷等级磁记忆识别模型

针对两栖环境中机器人多自由度灵活稳定运动的需求,设计了一种具有"轮-腿-矢量喷水"复合驱动机制的小型两栖球形机器人。首先介绍了机器人的主要结构组成:一个密闭的上半球壳、两个可开关的1/4球壳、4条复合式驱动腿以及滑行模块等;其次,对球形机器人的复合驱动机制进行分析和建模;接着,根据水下环境和机器人的特性,设计了基于传统PID算法的神经网络自整定控制算法;最后,在室内水池中进行了机器人运动的实验测试。实验结果表明,机器人在水中运动性能良好,运动轨迹和姿态角误差在控制器接受范围之内。所提出的具有复合驱动机制的自主式两栖球形机器人,在滨海两栖环境的资源勘测等方面具有广阔的应用前景。     

双足吸附式爬墙机器人方案设计及实验分析

利用抽象陈述法进行了双足爬墙机器人的方案设计,确定了双足爬墙机器人的设计目标和功能,根据目标方案完成了机器人的虚拟样机设计,通过Pro/E环境下的虚拟样机的模拟实验确定了方案可行性,以虚拟样机为依据进行了实物样机的开发,实物样机的实验验证了双足爬墙机器人设计方案和虚拟样机的的合理性以及模拟方法的正确性。     

七自由度自动铺丝机器人的自运动流形分析

定义了位姿解耦的冗余自由度机器人位置关节空间流形和姿态关节空间流形,将位置关节空间流形和姿态关节空间流形进行配对得到冗余自由度机器人的自运动流形。利用定义的位置关节空间流形和姿态关节空间流形对七自由度自动铺丝机器人进行分析,分别得出七自由度自动铺丝机器人的位置关节空间流形和姿态关节空间流形,配对以后得出七自由度自动铺丝机器人的自运动流形,并进行了仿真验证,结果表明这种分析方法得到的自动铺丝机器人的自运动流形是正确的,而且对于其他类型位姿解耦的冗余自由度机器人自运动流形分析也是适用的。     

飞机蒙皮检测爬壁机器人结构设计与运动分析

针对传统的飞机蒙皮检测技术效率低、工作周期长、识别率差等问题,提出了一种能够自主完成飞机蒙皮检测工作的螺旋桨推力吸附式爬壁机器人.首先,以爬壁机器人应用背景为基础,进行了机器人的机械结构设计,以履带传动作为其移动机构,设计了相应的履带变形机构,提升其自适应越障性能,并利用螺旋桨提供其反向运行吸附力;其次,分析了其爬坡运动稳定性;最后,建立了机器人的运动学模型,分析了其越障能力,论证了其应用于飞机蒙皮检测的可行性.