管桁架焊缝质量检测机器人结构与越障稳定性研究

管桁架焊缝质量检测机器人是一种在高空管桁架上采集焊缝信息,并对焊缝质量进行适时检测的机器人,它的越障稳定性是其安全可靠工作的关键.设计了一款能在管桁架上行走、越障,且适应管径变化的机器人系统;分别对沿竖直钢管爬升、周向旋转和越障状态下的驱动轮进行受力分析,初选了关键动作驱动电机参数;利用ADAMS平台进行翻转机构的运动学仿真,发现翻转角速度可影响机器人的工作效率和稳定性,以工作损失效能最小为目标优化翻转角速度,通过数据拟合和多次迭代求得最优翻转角速度;开展了样机稳定性试验,以测量不同翻转角速度下机器人的滑移量.分析和试验结果表明:翻转角速度为0.445 rad/s时,工作损失效能最小,且越障稳定性好;翻转角速度达0.785 rad/s时,出现滑落现象;样机稳定性试验与运动学仿真结果一致.     

煤矿井下移动机器人运动规划方法研究

针对现有煤矿井下移动机器人运动规划所生成的轨迹存在超调、碰撞、不连续、不光滑等问题,提出了一种由路径规划、轨迹生成、轨迹优化3个部分构成的煤矿井下移动机器人运动规划方法。路径规划采用基于图搜索的A*算法实现,通过开始搜索、路径排序、继续搜索3个步骤循环迭代,快速规划出一条可通行的全局路径作为轨迹生成的初值。轨迹生成通过构建基于Minimum Snap的目标函数,并施加等式约束来实现。轨迹优化则是在轨迹生成的基础上施加不等式约束来实现:通过调整时间分配和构建基于Corridor轨迹规划的不等式约束,解决基于Minimum Snap轨迹生成在求解过程中出现的超调现象,并对整段轨迹本身进行约束,避免发生碰撞;通过引入调和函数Bezier Curve,构建基于Bezier Curve的Minimum Snap的轨迹优化问题,使得轨迹高阶目标函数的求解变得简单高效,最终生成一条适用于煤矿井下移动机器人的能量损失最小、连续、光滑、无碰撞、可执行的运动轨迹。在Matlab仿真环境中设计了随机地图,生成了包含时间分配、位置规划、速度规划、加速度规划的最优轨迹规划结果。实验结果验证了该运动规划方法的正确性和有效性。     

机器人导航路径的动态分级蚁群算法规划策略

为了提高机器人工作路径质量并减少算法运行时间,提出了蜂巢栅格模型与动态分级蚁群算法结合的路径规划方法。建立了工作环境的蜂巢栅格环境模型,在转向角、避障路径比、路径质量等方面均优于传统方形栅格模型;将蜂群算法的分级思想引入到蚁群算法中,根据适应度将蚁群分为寻优蚁和侦查蚁两级;寻优蚁更加注重信息素的引导作用,利于算法收敛,侦查蚁更加注重启发信息的牵引作用,不断探索新的路径而增加路径多样性;提出了兼顾全局信息素更新和局部信息素更新的动态加权信息素更新方法。经仿真验证,动态分级蚁群算法在迭代过程中的路径多样性优于蚁群算法;将动态分级蚁群算法应用于路径规划,路径长度比蚁群算法降低了22.12%,平均运行时间减少了32.33%,充分证明了动态分级蚁群算法在路径规划中的有效性。     

一种轮式变形轮越障性能研究

针对圆形轮子在恶劣条件下越障性能差的特点,研究了一种轮式变形轮的越障性能,通过建立平衡条件方程,计算并分析了轮式变形轮轮缘上某点在变形前、后的支持力、摩擦力和总转矩,得到了轮式变形轮变形前、后该点支持力、摩擦力和总转矩的变化规律。结果表明,轮式变形轮变形后,轮缘与障碍物接触处的支持力和摩擦力比变形前有较大幅度的增大,证明该变形轮变形后有较好的越障性能。     

一种基于最小二乘法的移动机器人拾取臂控制系统研究

设计了一种视觉移动机器人拾取机械臂的控制系统,采用ARM处理器为主控芯片,PCA9685为驱动模块。针对机械臂末端执行器的运动轨迹和取放位置的标定,提出了一种算法,根据占空比中的Di值与拾取位置xi之间的关系,建立了最小二乘法的曲线分段拟合方程,并设计了一组用于该系统的控制指令表,有效地解决了机械臂的运动控制。测试和实践表明,该方法抓取目标物的成功率可达100%。定位精度可控制在2~3 mm,适用于一般精度要求工作场合。     

室内环境下基于图像序列拓扑关系的移动机器人全局定位

针对室内环境结构相似的特点,提出一种基于图像序列拓扑关系的移动机器人全局定位算法.首先,提取图像的Gist描述子,并提出一种局部极值算法,将环境划分成若干组不同的图像序列.然后,使用ESN(echo state network)对每一组图像序列在时间上进行双序训练,提取鲁棒的图像序列特征,再利用空间上的双向匹配策略实现图像序列特征的匹配.最后,采用HMM(hidden Markov model)对图像序列间的拓扑关系进行建模,将移动机器人全局定位问题转化成有向无环图中最长路径求解问题,并通过实验对该图像序列划分和序列建模方法进行验证.与基于单帧图像匹配的算法、SeqSLAM算法以及Fast-SeqSLAM算法相比,该算法在室内走廊环境和办公环境中均可实现100%的定位.特别是在室内办公环境中,机器人仅需要运动0.80 m便可以对自身进行准确定位.实验结果表明,该算法具有较强的鲁棒性、较高的定位准确性和定位效率.     

磁吸附轮式擦窗机器人动力学建模与仿真

针对磁吸附轮式双面擦窗机器人(WCWR)进行动力学建模。分析其在匀速运动情况下,不发生倾覆和不同程度打滑情况下所需最小磁力,并对最小磁力与机器人航向角建模,研究磁力与位姿关系。引入车辆动力学理论,对单个驱动轮进行受力分析,并研究车轮打滑现象,同时引入滑转率概念,由此建立滑转率、航向角与车轮扭矩关系式,并进行建模仿真,以此来研究与设计驱动系统。从而为磁吸附轮式擦窗机器人(WCWR)在打滑情况下的设计提供理论基础。并以此理论为基础选择合适磁力与扭矩进行设计与实验检测理论准确性。     

关节-轮式爬杆机器人多姿态力学模型与稳定性研究

现有的爬杆机器人在研究中常侧重于越障能力或负载能力某一方面,无法同时满足实际生产对这两方面提出的高要求,为此设计了一种新型关节—轮式爬杆机器人,兼具了轮式机器人较强的负载能力和关节式机器人良好的越障能力。建立了爬杆机器人在轴向、周向、翻转运动姿态下的整体力学模型和基于稳态侧偏理论的弹性车轮力学模型,研究了夹紧力对运动方向和稳定性的影响。根据理论计算结果,在ADAMS中对爬杆机器人虚拟样机进行动力学仿真,实现了三种姿态下的稳定运动,验证了机器人设计及力学模型的正确性。