一种六足仿生机器人的研究

基于仿生学原理,应用连杆机构学中的Robert原理,设计出一连杆轨迹能较好地近似于机器人理想足部轨迹的六杆机构.并通过ADAMS动力学仿真软件,对用这一连杆机构作为腿部机构的六足机器人进行了前进和转弯步态仿真.仿真结果表明该机器人具有良好的移动性能.     

计及小幅晃动充液部件多体系统动力学递推建模与分析

任何复杂机械多体系统都可转化为等效的树形系统.将充液系统中液体与贮箱分为独立的子结构,通过动量定理和动量矩定理得到原系统液体-贮箱间晃动作用力的表达,利用空间算子代数理论对小幅晃动的充液系统进行动力学递推建模.采用有限元法对液体进行模态分析而获得液体小幅晃动的波高函数和速度势函数的自由晃动模态的表达.贮箱与其相邻物体之间可等效为弹簧阻尼的连接方式,在贮箱连体坐标系原点的位置上链接6自由度的液体内接虚铰,将液体晃动的运动学参数变量和动力学参数变量通过虚铰与贮箱进行传递,又保留液体晃动的最大信息量.未知贮箱运动情况下,贮箱内接虚铰相当于欠驱动关节,这种多体系统动力学递推过程中仍保留刚-液耦合机理,从而推导出基于空间算子代数理论液体小幅晃动的充液多体系统高效率动力学递推算法.     

并联式六维加速度传感器的误差及容错处理

基于解耦算法研究了并联式六维加速度传感器的误差特性和容错策略。通过引入"辅助角速度"的概念,并借助于四元数将旋转参量扩展至四维空间,得到了两个形式简单的递推公式,实现了六维加速度的完全解耦。通过剖析解耦机理,找到了影响解耦精度的3类误差源,并分析了它们的产生原因。通过构建辅助角速度误差与源误差、输出误差之间的映射关系,推导出了3组基本误差方程的解析表达式,据此揭示了各误差因素的影响规律。仿真试验与数学推导的结果吻合得较好,验证了误差方程及规律的有效性。从尺度约束的角度挖掘出弹性体拓扑构型中隐藏的变形协调条件,推导出了3个力协调方程,由此给出了一种可解决93个组合故障问题的容错处理方案。样机试验结果显示,局部支链出现故障后重构系统的综合解耦误差不超过8.5%,基本满足测量要求,验证了容错处理方案的可行性,同时也表明并联式六维加速度传感器具备一定的鲁棒性。     

多平面锥形针接触建模与影响因素研究

针对平面锥形针在组织接触变形阶段受力变化难以分析的现状,根据弹性组织与针接触时的变形特点,建立了多平面锥形针的接触模型,并重点探讨了该阶段针的受力与穿刺性能问题。接触模型揭示了在穿刺深度相同的情况下,锥形针的接触受力受组织剪切模量、针形半顶角和针的平面数三个因素共同影响。通过实验对接触模型进行验证,发现实验曲线和理论曲线能够较好地吻合,表明该模型是有效可行的。由研究可得：为减小平面锥形针的接触受力、提高针的穿刺性能,可选择较小剪切模量的组织、减小针形半顶角或减少针的平面数。     

基于AB/DTS算法的闭链六足机器虫动力学

闭环机构在工程实际中有着广泛的应用,但在对其进行动力学分析时,由于约束耦合的存在大大增加了计算的复杂度。把针对固定基座操作手高效的动力学关节体(Articulated-body,AB)算法、地面和足部接触的解耦结构树(Decoupled tree-structure,DTS)建模方法和处理运动约束的硬约束方法结合起来对闭环机构进行动力学分析。同时采用一种能动态选择的Baumgarte修正参数方法来处理运算过程出现的违约问题。作为计算实例,根据使步行机器人运动时机身产生较小的起伏变化对足部运动轨迹的要求,设计一种采用闭环的六连杆作为腿部机构的六足机器虫。基于推导所得到的算法,通过C++语言编写程序对该机器虫进行仿真,结果和由ADAMS得到结果近似,表明了该算法的正确性;同时由运动位移曲线验证了所设计的机器虫满足预定的运动要求。     

压力鞋垫的足-地面反力预测模型与分析

为方便医生对病人日常生活状态下足-地面反力的远程监诊,设计了鞋垫式足底压力测量系统。在足底压力的动态测量过程中,压力传感器的模拟信号经过放大滤波调理和数模转换后,通过Zigbee无线模块发送至SQL数据库,使用LabVIEW后处理程序实现足底压力的远程读取。基于足底压力数据,利用多元线性回归算法建立了足-地面反力的多元线性回归模型,发现FSR402传感器在测量10 N以下的压力时精度较高,当压力达到10 N及以上时精度显著下降。鞋垫式压力测量系统通过2次对比实验所测的测量值和预测值之间的误差为0.248 8%和0.731 8%,位于工程应用可接受的误差范围之内,而产生的误差以及预测力负值的原因是传感器精度和足部与鞋垫之间的黏弹性。     

基于堵塞原理的变刚度软体机器人设计与试验

软体机器人运动时具有高柔性,执行任务时又能展示出强刚度,在军事侦察、灾难救援等复杂环境探索与检测方面具有重要的应用价值。结合主动驱动的网络气动结构与被动驱动的堵塞机构的优势,提出实时变刚度的软体驱动器,研究其变刚度机理和动态建模方法。首先,提出了气动-堵塞机构耦合的软体驱动器模型;其次,利用赫兹接触模型,建立机器人运动数学模型,从理论上研究其变刚度形成机理;再次,利用有限元对气动驱动结构进行分析,研究空腔内压强、形状和大小对软体机器人弯曲角度的影响,并进行了优化;最后,制作了变刚度软体机械臂样机,验证了软体驱动器的变刚度性能与运动性能。该研究有望为变刚度软体机器人设计与刚度调控提供新的理论和技术支持。     

内凹面触觉传感器设计与接触过程分析

设计一种用于微创手术（ MIS）的圆锥形内凹面触觉传感器,不仅可以分析接触力,辨别不同软组织的相对硬度,而且能得到软组织的材料参数,进而辨识组织和可能的组织病变。首先,建立传感器与弹性体间的接触模型;然后,根据弹性与粘弹性对应原理建立传感器与粘弹性体的接触模型,解算出剪切模量等参数信息;最后,通过实验验证了该传感器的可行性。