直线电机驱动的全向滚动球形机器人的设计与分析

提出了一种内置稳定平台的新型全向滚动球形机器人装置，由外球壳、内球壳、位于内球壳中的稳定平台、位于内外球壳之间的驱动机构组成。驱动机构为四台直线电机分别在四个空间对称的轮辐上径向移动，改变系统重心位置，驱动球形机器人在平面上全向滚动。内置平台在机器人全向滚动过程中始终保持稳定的姿态，可作为仪器、设备的搭载平台。基于非完整约束和动量矩定理，考虑摩擦力的影响，利用广义欧拉角给出了其二阶控制微分方程组，建立了该球形机器人的运动学和动力学模型，最后结合实例进行了分析和仿真。     

球形机器人动力学建模及运动特性分析

利用凯恩方法建立了非理想条件下球形机器人的动力学模型。分析了关节摩擦、滚动摩阻力矩、球壳不圆对球形机器人运动特性的影响,给出了球形机器人运动过程中球壳打滑问题产生的原因,仿真结果为球形机器人控制策略和机械设计提供了理论依据。     

水下机器人运动控制仿真研究

设计了一种水下机器人,它由防水基体、螺旋桨推进器和伺服电机组成。姿态传感器用于采集水下运动的姿态信息,通过单片机控制系统,采用PID算法调节螺旋桨推进器的角度,完成水下机器人的前进、后退、升降、转向等动作,采用Arduino微控制器平台对直流电机速度、伺服电机位置进行控制。仿真实验结果表明:该控制器可以有效地对直流电动机转速、伺服电机位置进行控制。     

BYQ-3球形机器人的动力学模型

在运动分析的基础上,基于矢量运算的Kane方程建模方法,建立BYQ-3球形机器人的完整动力学模型,并进行仿真和试验研究。分别确定球壳、框架和配重块的角速度和角加速度,以及球壳质心、框架质心和配重块质心的速度和角速度,推导球壳、框架和配重块的广义速率、偏速度、偏加速度、广义惯性力以及广义主动力,在此基础上建立BYQ-3球形机器人的完整动力学模型。通过建立转动关节的转动摩擦力矩和地面对球壳的滚动摩擦力偶矩模型对完整动力学模型进行修正。针对“长轴水平”条件下的直线运动,基于修正后的完整动力学模型进行仿真研究,同时利用BYQ-3球形机器人平台进行开环运动控制试验研究。仿真和试验结果表明：在考虑了摩擦因素后所建立的BYQ-3球形机器人的完整动力学模型是有效的。     

复合驱动式水下机器人结构及水动力系数计算

针对水下观测和海底移动检测作业需求,提出一种复合驱动水下机器人.为实现水中游动与海底爬行,采用螺旋桨与履带移动底盘的复合驱动形式.通过对水下机器人进行数学建模,基于ICEM和Fluent水动力分析软件,模拟复合驱动式水下机器人水平直航、水平斜航、垂直斜航、加速直航运动实验,并采用最小二乘法对仿真数据进行拟合处理,获得相...     

基于反馈线性化的软壳体球形机器人纵向运动控制

针对球形机器人运动强烈的非线性,考虑自主研制的软壳体球形机器人弹性变形特性和与地面接触状态的不同,为了对球形机器人的纵向运动位置和姿态进行镇定控制,研究设计一种基于反馈线性化方法的控制器。基于动力学普遍原理建立球形机器人纵向纯滚动的动力学模型,通过对模型分析得到了该机器人运动性能优于硬质球壳机器人的结论。通过对系统的能量分析,提出一种适用于多输入多输出系统的反馈线性化控制方法,保证机器人纵向滚过角度跟踪期望值的同时收敛到稳定姿态。通过Matlab-Simulink仿真验证了该控制器的有效性。     

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。     

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。     

无线微小型机器人及其驱动控制

研制了一种面向微操作的微小型机器人,并开发了其无缆化控制系统。该机器人机械本体由基于宏／微复合驱动的移动定位平台和3自由度球基微操作器构成。机器人总体尺寸不超过90 mm×70 mm×60 mm。机器人的宏动部分采用轮式驱动,选用轴直径为3 mm的微型电动机,运动速度可达100 mm／s,定位精度0．5 mm,运动分辨率0．1mm。微动部分基于尺蠖蠕动原理通过压电陶瓷和电磁体配合,速度可达200μm／s,定位精度50μm,运动分辨率2 μm。球基微操作器基于黏滑原理利用3根四分压电陶瓷管驱动,可实现旋转和俯仰运动,运动分辨率可达0．001。。所有驱动电路均集成到机器人本体内,采用锂聚合物电池供电,通过蓝牙模块和上位机的图像处理系统通信。嵌入式控制软件将机器人的运动全部分解为简单运动,控制算法采用多线程方式,保证了驱动控制的实时性,并且具有很强的抗干扰能力。     

带高速旋转飞轮的球形机器人结构设计与运动稳定性分析

为提高欠驱动的球形机器人在低速运动时的稳定性,提出一种安装高速旋转飞轮的球形机器人.该机器人的机械结构主要由球形外壳、内框、长轴电动机、短轴电动机和旋转飞轮构成.给出该机器人的简化模型和结构参数.在运动学分析的基础上,采用带约束的拉格朗日方程建立该机器人的动力学模型,并对该动力学模型进行简化.模型分析结果表明:飞轮高速旋转产生的陀螺效应可减弱外界干扰力矩的影响,保证球形机器人在低速运动时航向角的稳定性.在塑胶跑道上进行直线定位运动试验,当飞轮高速旋转时,与飞轮停止时相比,机器人运动过程中的航向角偏差和航向角速度波动减小,运动结束时机器人中心偏离直线的位移减小.试验结果证明了该设计的有效性.     

适用于月面极端地形的爬-滚机器人设计及爬行滚动特性分析

面向月面极端环境科学探测任务,提出一种兼有快速通过性和良好环境适应性的爬行滚动一体化机器人设计方案,通过机器人6条腿的形态变化,使机器人具有爬行和滚动两种运动模式.在对爬-滚机器人构型分析的基础上,建立了单腿正逆运动学模型,以运动学为基础,基于足端轨迹规划设计了爬行模式下机器人直行、原地转向步态;结合非结构地形的特殊性,通过尺寸和力约束条件分析了机器人滚动模式下的最大爬坡角和最大越障高度.基于ADAMS软件对机器人爬行模式直行、原地转向,滚动模式爬坡、越障等运动行为进行了模拟,并搭建了机器人移动试验平台,对机器人样机在实验室环境中进行了测试,仿真和试验结果表明机器人在爬行模式下具有良好的移动性能,在滚动模式下具有一定的爬坡和越障能力,爬行、滚动模式运动特性分析能准确地评价机器人性能,证明了该设计方案的适用性和可行性,为后续特种探测机器人的研究提供借鉴.     

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。     

磁控微型软体四足水下机器人双模式运动特性的仿真与试验

无缆磁控微型机器人由于其尺寸小、质量轻，在生物医疗、微操作领域等都有着广阔的应用前景。设计一种十字叉形磁控微型软体四足机器人，采用水母模式、螺旋桨模式实现机器人的水下运动。首先分别对磁控四足机器人的水母模式和螺旋桨模式进行动力学分析，然后通过静态特性和动态特性分别对两种模式进行仿真与试验的对比分析，研究磁场强度与弯曲特性的关系、水母模式拍打幅度、频率与速度的关系，螺旋桨模式步长与圆锥素线角、频率与速度的关系等。在此基础上，通过设计控制信号分别在两种模式下实现在水下的垂直向上、悬停、水平移动等多个动作，并实现简单路径跟踪试验，磁控微型四足水下机器人的仿真与试验为微型机器人的应用提供了新思路。     

可自适应变曲率立面的分体柔性爬壁机器人设计与分析

为解决传统爬壁机器人在复杂大型金属立面上的变曲率自适应问题,以履带与曲面的有效接触为出发点,分析在自适应曲面运动时履带式移动构型的姿态变化规律,提出一种基于分体柔性履带移动与间隙式永磁吸附的自适应爬壁机器人;建立多状态下移动模型,分析机器人在变曲率立面移动及焊缝越障过程中利用自身姿态变化实现自适应的运动特性;构建间隙式永磁吸附模型,利用参数化仿真分析了壁厚、磁隙等对吸附能力的影响;通过样机平台试验表明,机器人能以合理的运动姿态实现在变曲率立面上的大负载灵活可靠运动,具有较好的变曲率自适应能力及越障能力.     

球—轮复合可变形机器人的结构设计与分析

设计一种将球形机器人与轮式机器人运动特点相结合的可变形移动机器人。该移动机器人可以适应多种复杂的地形环境,自身几何形状发生变化以实现球形和轮式机器人互换。球—轮复合型移动机器人的机构系统由可变形球壳、球体推进装置和轮式驱动装置组成。通过对可变形球壳的拉伸和收缩实现球形和轮式机器人之间的角色交换。运用理论推导和参数优化等方法对球—轮复合型移动机器人中的变形球壳、车轮、和驱动重摆的结构尺寸进行分析,并通过仿真试验验证了机构尺寸参数选择的合理性,为该复合型移动机器人的机构设计提供了理论依据。最后通过实物试验验证,证实了该移动机器人实现的可行性。     

非叠加型可变形两栖机器人水下推进方法

受自然界中变形虫和生物蛇启发,将可变形和链式构型特性引入两栖机器人。通过运动特性、水环境适应性和可变形能力扩展等综合分析,设计了没有添加额外水下推进机构的非叠加型两栖机器人链式可变形构型。该机器人在陆地环境具有较高机动性外,还具有履带划水和仿生划水组合的复合推进方式。提出基于理想推进器的履带划水推进模型;针对仿生划水时运动学与流体力的耦合关系,提出基于拉格朗日方程的运动学-动力学联合运动模型,并建立了转向模型,完成仿生推进方式的水中机动性能分析。通过仿真分析了履刺高度和分布等机构参数以及幅值、频率等运动参数对水下推进性能的影响。利用基于链式可变形构型研制的机器人样机Amoeba-II进行了水环境试验,验证该构型在水下推进中的有效性,并对履带划水和仿生划水的推进效率、稳定性进行对比。     

基于坐标变换下的球形机器人稳定平台控制

由于球形机器人内部构件相对于壳体需要保证全方位的运动,所以机器人内部的传感器以及探测设备常因缺乏稳定支撑而无法正常工作.基于此,探讨通过控制的方法使机器人内部形成稳定平台.利用基于能量耗散形式下的拉格朗日方程建立球形机器人前向滚动状态下的动力学模型,并根据实际运动情况对所推导的动力学方程进行线性化处理,接着通过坐标变换的方法,使方程在新的平衡点处转化为线性定常的状态空间形式.在整个变换过程中引入平衡摆角和平衡速度两个重要概念,为进一步分析机器人运动特征奠定基础.对于动力学方程中出现的循环坐标,采用减少状态变量的方式来保证系统的可控、可观性.针对机器人运动中所需要达到的具体性能指标要求,设计机器人的全状态反馈控制器,可对系统的极点进行任意配置.仿真结果表明了所设计的控制器的有效性.     

水下油气管道外检测机器人设计及其动力学分析

油气管道由于腐蚀、外力等原因会造成管壁变薄,发生穿孔、泄漏和开裂等事故。管道投入运行时间和管道长度不断增加,以及工作环境日趋恶劣,加大了水下油气管道的检测难度。基于SolidWorks软件设计了一款用于检测水下油气管道腐蚀缺陷的机器人,包括管道直行机构和旋转小车,并对关键零部件及控制系统进行了分析设计;通过ANSYSFLUENT软件模拟不同水流速度、不同移动速度下机器人壁面受力情况,分析水流速度、移动速度对机器人前端壁面受力的影响规律,发现：随着水流速度与移动速度不断增大,机器人前端壁面受力不断增大,但当移动速度增大到0.4m/s时,变化不再明显;计算得到最大阻力为170.77N,所选用推进器最大推力为110.74N,因此采用双推进器驱动能够支撑机器人前移,满足设计要求。     

磁悬浮万向飞轮在卫星姿态机动中的应用

针对基于磁悬浮万向飞轮的高轨卫星姿态机动控制问题,建立磁悬浮万向飞轮和卫星的姿态动力学方程,通过磁悬浮万向飞轮转子的偏转控制实现卫星滚动和偏航轴的姿态机动。由两个磁悬浮万向飞轮反向安装,组成双轮控制构型,实现整星零动量控制。仿真结果表明,在双磁悬浮万向飞轮系统控制下,卫星在20 s内可实现5°的姿态机动,所需要的框架角为3°;当磁悬浮万向飞轮达到最大框架角6°时,卫星可实现12°的姿态机动。分析磁悬浮万向飞轮在低轨卫星中应用的前景,为实现卫星的快速机动和快速稳定控制提供新的思路。     

基于ADAMS+MATLAB的移动焊接机器人运动仿真

基于虚拟样机技术对在狭小空间内实现焊接自动化的移动焊接机器人进行研究。采用两自由度轮式移动平台,与万向球形成三点支撑,十字滑块作为二级精确运动平台,配合旋转电弧传感器可完成对平面焊缝的精确跟踪。建立了移动焊接机器人数学模型并讨论其运动学方程。在ADAMS中建立虚拟样机并验证其正确性。针对本移动焊接机器人机构特点,采用ADAMS+MATLAB联合仿真技术对移动焊接机器人移动平台进行分析,使用PID控制对两驱动轮转速进行仿真控制,仿真得出了速度响应曲线,为物理样机实验提供了理论基础。