模块化可重构外肢体机器人

针对单人无法独立完成的操作任务,需要额外辅助的需求,提出并研制了一种模块化、可重构的外肢体机器人,该机器人由多个结构、功能相同的基本模块单元串联组成。为了实现模块化外肢体机器人的模块连接配置与变形重构能力,分析了基本模块单元的结构、功能需求,根据需求设计了基于舵机驱动的模块单元。每个模块单元由两个楔形子模块共轴相互转动构成,形成一个转动自由度。设计了基于磁铁吸附的机械连接机构,可以实现两个模块间的快速连接与分离;提出了双排金属触点间隔错位连接方法,保证两个模块单元间实现可靠的电气系统连接。划分了双模块串联条件下4种不同的连接方位,得出了外肢体机器人的构型配置种类与串联模块个数关系。面向具有任意模块个数、不同连接方位的外肢体机器人,建立了基于虚拟转轴的模块化外肢体机器人通用正向运动学模型。对基本模块的转动能力、承载能力、快速连接能力以及外肢体机器人在焊接过程中,辅助操作人员夹持导线、递送电话等能力进行了试验,验证了所提出的新型模块化外肢体机器人的辅助能力。     

考虑驱动耦合的绳驱动外肢体机器人运动建模及控制研究

针对绳驱动外肢体机器人由于其布线形式及驱动耦合所造成的运动建模复杂及控制精度低等问题,研究了一种考虑驱 动耦合的绳驱动外肢体机器人运动建模及控制方法。 基于 D-H 法和欧拉变换原理构建了刚柔一体外肢体机器人的运动学模 型,并根据关节耦合机理推导相邻关节间的主动解耦模型,提出了一种基于驱动解耦运动学模型的外肢体控制策略。 最后搭建 了外肢体机器人实验样机,并对其所建运动模型及控制方法进行验证。 结果表明,机器人末端多点定位误差最大为 7. 45 mm, 移动路径最大误差为 7. 24 mm,总体误差平均值为 6. 08 mm,由此验证了所提的刚柔一体外肢体机器人驱动解耦运动学模型和 控制策略的正确性,具有较好的控制精度和运动品质。     

仿人机器人构型

对人形机器人构型的研究现状进行综述,分析国内、外现有人形机器人普遍采用的串联构型的特点;介绍人体的结构,对关节、肢体构成与运动进行简化,建立人体的简化构型;利用基本运动单元,以人体构型为原型,从结构、运动、功能仿生的角度出发,在多自由度关节处引入并联机构,采用等效机构替代关节及组合方法,构建人形机器人构型,得到肢体并联、混联(串、并联共存)构型与整体混联构型。试验证明,采用该类构型可使机器人肢体末端的运动更灵活、平滑连续;改善输出状态,提高机器人的机动与操作能力;使机器人刚度大、承载力大、运动稳定性高。丰富了人形机器人构型,为人形机器人设计提供理论依据和更多的构型选择。     

可穿戴式下肢助力机器人运动学分析与仿真

可穿戴下肢助力机器人是将人和机器人机构结合在一起,通过获取人体下肢运动行为信息来控制机器人机构与人体协调、同步行走,并实时为人体下肢提供助力的一种装置。可穿戴下肢助力机器人机械系统不仅符合以往的拟人机器人行走机构的设计要求,又要与人体下肢系统相匹配,为人体提供助力时,与人体下肢相协调、互不产生运动干涉。基于人体下肢各关节运动参数,对助力机器人机械系统进行了运动学分析并建立了模型,通过对人体下肢运动仿真,验证了所建立的运动学模型的可行性。     

人体卧式下肢屈伸运动的动力学建模与仿真

为了帮助脑卒中后偏瘫、单侧肢体运动障碍的患者进行下肢康复训练,基于人机合作技术提出了一种下肢康复训练机器人。该机器人根据患者的运动意愿,通过与人合作完成下肢的康复训练。引入广义速率的概念,基于凯恩方法对人体卧式下肢屈伸运动进行了动力学建模与仿真,求解了下肢屈伸运动的约束方程和凯恩方程,得到了下肢运动曲线和驱动力矩曲线。该研究为下肢康复训练器械的设计与研制提供了参考和理论依据。     

小型双足步行机器人的研制

针对小型双足步行机器人具有体积小、行走稳定性强等特点,文中首先根据人体功能学的要求设计了小型双足步行机器人本体结构,确定其尺寸与自由度配置。然后采用时间片分割和脉宽递增的方法,实现了17个舵机的独立控制以及舵机的多级速度控制。最后,针对所研制的小型仿人机器人结构特点,基于几何约束的规划方法,采用行走姿态的变时间间隔插值优化的步态规划法,实现了仿人机器人静态行走固化步态。     

下肢外骨骼机器人人机约束模型建立及分析

设计了一种下肢助力外骨骼机器人,建立了人体下肢与外骨骼机器人的人机系统模型,提出两种人机约束方案,并建立了D－H坐标系,根据同一约束点在不同坐标系变换后相对于原点距离不变的原理,建立了各人机约束方案的约束方程,从理论上分析了下肢外骨骼机器人对人体运动的跟随效果。分析结果表明,通过这种方法可以得到不同约束情况下下肢外骨骼机器人对人体运动的跟随情况,合理设计人机约束方案,能够实现下肢外骨骼机器人对人体运动的同步跟随。     

基于虚拟样机技术的外骨骼助力搬运机器人结构设计与仿真研究

针对现有外骨骼助力搬运机器人结构复杂、价格昂贵的问题,对外骨骼助力搬运机器人虚拟样机技术的结构设计、运动学与控制仿真展开了研究。设计了一款结构相对简单,在人体弯腰搬运重物时对人体腰部提供助力,且肘关节设计为自锁机构的可穿戴全身外骨骼助力搬运机器人;通过对外骨骼下肢运动学模型建立了D-H坐标,进行了正逆运动学分析;利用虚拟样机技术,采用人体步态行走时所采集的实验数据,对外骨骼助力搬运机器人进行了步态运动的仿真分析与联合控制仿真。研究结果表明:所设计的外骨骼助力搬运机器人的步态仿真运动与人体的实际数据相符,验证了所设计结构的稳定性与可靠性。     

下肢外骨骼助力机器人关节驱动设计及试验分析

针对人体下肢关节特点与助行要求,设计了外骨骼机器人关节结构;通过ADAMS软件仿真,分析了外骨骼机器人水平助行过程中关节功率配置需求,根据关节需求设计了外骨骼电液伺服驱动系统;为满足外骨骼机器人对人体下肢关节助力及柔顺性要求,提出了基于关节误差估计的PID控制方法。详细介绍了外骨骼机器人下肢关节结构的运动形式与技术参数,优化配置了关节结构的运动范围与驱动行程,对该机器人进行了运动学分析并通过外骨骼的典型动作进行验证;划分了外骨骼助行过程中步态与关节驱动映射,给出误差估计与补偿PID控制的具体参数;分别从关节跟踪与助力功率的角度,量化分析、对比了基于关节误差估计与常规PID两种控制方法的助力指标参数。试验结果表明,所设计外骨骼关节与驱动系统可实现穿戴者助力行走;对比常规PID控制,抑制了关节驱动控制输出区间的不连续,改善了关节跟踪误差,提升了助力效果与柔顺性。     

大型17R“加藤一郎”机器人仿人行走控制研究

针对大型17R"加藤一郎"结构双足机器人仿人行走控制问题,从仿人机器人的机械结构、控制系统、步态仿真、动力学参数等方面对机器人的影响进行了研究,采用仿生学原理,参考了人体上、下半身比例特点,对机器人的机械结构进行了设计;对机器人控制系统进行了设计,提出了一种基于DSP+FPGA的主控系统,将多CPU协同工作、分布式远程控制技术应用到仿人机器人行走控制中;利用人类行走过程中各关节的转动参数为输入的控制方法,在ADAMS上进行了步态行走试验,分析了动力学参数对机器人步态的影响。研究结果表明,以人类行走方式控制机器人步态行走,机器人行走步态稳定可行,可应用于大型双足步行机器人步态行走控制。     

多臂协作机器人技术与应用现状及发展趋势

随着劳动力紧缺及人力成本的不断升高,需要使用机器人的领域越来越多,数量也越来越大。就许多应用场景而言,任务复杂多变、应用环境和条件限制也各有不同,单臂协作机器人已不能满足要求,多臂协作机器人系统便应运而生,且已成为未来发展的重要领域。因为发展的时间较短,还需要研发人员做大量的工作。对多臂协作机器人的技术与应用现状进行了较为系统的梳理归纳,从影响较大的几个方面,即多臂协作机器人的应用、机构与轻量化设计、动力学与控制、协同技术、人工智能技术进行了综述。在此基础上,根据人工智能、控制等领域的新发展,提出了多臂协作机器人今后应该加强研究和发展的6个方向,如应用场景向深度人机协同方向发展、结构及零部件更注重高速、高精度和高功重比、在动力学方面将更加重视平顺性设计、协调式协作机器人系统需朝着分层多元化发展、控制将更加趋于自适应柔顺控制和自主决策、交互趋于多信息融合的多维安全保护与自然交互。     

四足机器人机械系统虚拟设计及转弯机构理论分析

针对当前四足机器人机械本体多为刚性体的问题,将机器人机械本体作为一个柔性整体,进行了其机械系统的虚拟设计及转弯机构的理论分析.提出了四足机器人系统总体设计方案和整体机械结构组成,并讨论了其关键机构的设计.其中,重点讨论了机器人转弯机构的设计,通过理论分析得到脊柱弯曲控制函数和步长控制函数,配合行走机构实现了机器人的行走与转弯.     

仿人形爬坡机器人的设计及分析

仿生爬坡机器人是集机构、驱动、控制、传感等核心部件为一体的综合开发平台。仿人机器人的设计研究,将促进机械机构智能技术的发展。为了保证机器人在小坡度(10°~20°)的稳定行走,并实现自主判断坡度及寻迹,需要对各学科问题进行综合归纳。针对设计要求,完成了对机器人机械结构的理论分析,并实现了三维建模;通过对人体运动形式的分析,对机器人的运动进行了步态规划;最后对运动的实现进行控制分析。     

自攀爬壁面清洗机器人机构设计研究

介绍了一种新型多吸盘真空吸附式壁面清洗机器人系统,对其本体机构进行了设计、研究.该清洗机器人具有结构简单、转动灵活、控制方便、轻量化等特点,并且该机器人能根据障碍调整步距,具有实用性.     

大尺度构件重载高精加工机器人本体设计与性能提升关键技术

基于典型大尺度构件的移动机器人化加工需求背景与发展现状的总结与分析,提出了大工作空间、高刚度、高精度、重载、轻量化、高动态响应、大负载自重比的大尺度构件加工机器人本体的基本性能要求。围绕上述基本性能要求,从机器人本体构型与机构优化设计,高性能加工机器人专用控制器与加工机器人操作系统开发,加工机器人运动学参数动态标定及位姿误差实时预测与动态补偿,刚柔耦合多体动力学建模,机器人动力学控制及主动振动控制等方面,论证了重载高精度加工机器人本体的优化设计及机器人性能提升方法,并完成了大尺度构件加工机器人本体构型与机构的概念设计。大尺度构件加工机器人本体的创新设计与研制,可为航空航天等领域的典型大尺度构件提供高性能的超柔性机器人化加工系统,并有助于推动国产工业机器人关键性能的提升。     

机器人多指灵巧手的研究现状、趋势与挑战

机器人多指灵巧手是一种高度灵活、复杂的末端执行器,因其能够模仿人手的各种灵巧抓持和复杂操作能力,半个多世纪以来得到持续的研发投入和广泛关注,备受社会各界期待.综述分析了仿人型机器人多指灵巧手的演化过程、研究与开发现状.从仿生结构、驱动、传动、感知、复合/智能材料、建模与控制等方面分析了机器人多指灵巧手的本体复杂性,在部分功能复现、灵巧操作功能复现和人手功能的增强三个层次上分析了机器人多指灵巧手的应用复杂性,进而论述了基于多指灵巧手的复杂应用简化实现模式,阐明了机器人多指灵巧手的复杂性与易用性的辩证关系.最后从深度仿生、柔性感知技术、操作过程规划与控制策略、成本控制四个方面分析了多指灵巧手本体研究的趋势与挑战.     

蛇形机器人：仿生机理、结构驱动和建模控制

蛇形机器人是一种能够模仿生物蛇运动的新型仿生机器人,由于它能像生物蛇一样实现“无肢运动”,因而被国际机器人业界称为“最富于现实感的机器人”。研究涉及材料学、仿生学、机械设计制造、传感技术等多学科交叉融合,在消防灭火、灾后救援、海底环境与管道探测、复杂环境作业、军事侦查等领域具有广阔应用前景,受到国内外学者及机构的广泛关注和研究。从蛇的生物特征、仿生原理、结构驱动、建模及控制等方面对蛇形机器人研究进行综述,按结构类型将蛇形机器人分为被动轮式、主动轮式、履带式、螺旋桨式和其他结构等;按驱动方式将蛇形机器人分为直流电机驱动、流体驱动、混合驱动和其他驱动等;以及目前常用于蛇形机器人的建模方法和控制策略。从中归纳和分析,得到蛇形机器人的关键研究问题包括材料升级、结构优化、柔性传感技术和自适应控制,其未来发展方向包括新型材料制备成型、高效结构设计加工、灵敏柔性传感技术、新型适合大变形的建模方法、自适应控制系统研发。     

165kg工业点焊机器人机械本体设计

主要介绍奇瑞公司自主研发的负载为165kg点焊机器人机械本体的设计。依据点焊机器人的应用要求并参照国外类似机器人产品,确定机器人性能指标和本体结构,然后根据性能指标选择电气驱动和机械传动元件;创建三维模型,对机器人机械系统进行动力学仿真和对关键零部件进行有限元分析,最后根据仿真和分析的结果对设计方案进行改进和完善。     

探究消防灭火机器人及配套装备技术

消防灭火作为高危特种行业，存在较高安全风险，容易导致救援人员陷入生存困境。加强消防灭火机器人及配套装备研究，根据机器人深入火灾现场探测和灭火的设计要求，从行走机构和控制机构两方面对机器人本体结构展开分析，并加强导航、探测和灭火等配套装备技术研究，设计出灵活移动和精准灭火的消防机器人，有效代替消防人员开展灭火救援工作，避免消防人员伤亡的同时，提高消防部门的灭火作战能力。     

一种新型多吸盘壁面清洗机器人模型研究

该文介绍了一种多吸盘真空吸附式壁面清洗机器人系统，对其本体结构进行了设计、研究，并对机器人的吸附可靠性和动力学特性进行了分析。该结构的清洗机器人机构具有简单、控制方便、清洗效果好等特点，有较强的推广应用价值。