三驱动球形机器人的结构设计与运动分析

设计了一种可靠性更高的三驱动单摆式球形机器人,工作过程中,当其中一个驱动电机发生故障时,其余两个驱动电机仍可以相互配合实现全向运动,有效地提高了球形机器人工作的可靠性。该球形机器人的三个驱动电机能够两两配合提供两种运动方式,其中一种运动方式根据角动量守恒定律可以实现机器人的原地零半径转向,使运动更加灵活。     

电磁驱动结构的球形机器人研究

电磁驱动结构的球形机器人非常适合在缺少人为干预的恶劣环境(如外星球、高温管道等)中应用.新型球形机器人的驱动结构有六个电磁铁,利用电磁吸力改变球形机器人的重心,在重力作用下完成前进功能;通过一个步进电机和锥齿轮组合传动,使电磁铁旋转来实现机器人的转向功能.使用过程中不需要打开球形机器人,从而保证了球形机器人的封闭性,并且球形机器人总是平衡的,克服了翻车或跌倒的问题,没有被动摩擦轮,运动效率高.     

一种球形机器人的运动特性分析

本文中的球形机器人是一种新型行走机器人,属于非完整欠驱动系统。它利用两个电机作为动力输入,通过改变配重重心的位置实现了球形机器人沿任意方向的运动。由于已有的研究结果无法使球形机器人的运动控制按照一个系统的运算法则运行,所以本文规划了多种球形机器人的基本运动轨迹。从理论上计算球形机器人按照规划轨迹运动的反解和控制方法,为球形机器人的实验提供了理论依据。     

双偏心质量块驱动球形机器人的直线运动控制

设计一种双偏心质量块驱动的球形机器人,运动时球体同时受到内部驱动单元产生的偏心力和惯性力的作用.由于独特的球形外壳与地面之间近似点接触,机器人在动静状态转换过程中,摩擦阻力无法抵消因内部驱动单元微小的运动误差而带来的机器人运动状态的改变.为了使球形机器人直线运动能够平稳启停且速度可控,研究一种双偏心质量块驱动球形机器人的直线运动控制方法.基于拉格朗日方程建立直线运动的动力学模型,分析动力学参数之间的关系,提出一种基于高斯函数的平滑轨迹直线运动控制方法,通过仿真从理论上验证控制方法的正确性.设计直线运动反馈控制器以保证实际控制信号精确跟踪期望值,通过仿真和样机试验验证控制器的有效性.     

球形机器人研究综述

介绍了自然界中存在的滚动运动,阐述了球形机器人运动方式的仿生学原理,将现有的球形机器人按驱动方式的不同分类,介绍了球形机器人的研究现状,并对其潜在应用和未来的研究工作进行了总结和展望.     

小型两栖球形机器人陆地运动建模及实验分析

为实现两栖环境和狭窄空间内生物搜救及跟踪调查等任务,需要机器人具备高灵活性、微型结构和多功能运动模式等特点。智能驱动器驱动的仿生微型机器人及电机驱动的中小型机器人很难同时满足要求。因此,提出由一个仿生小型两栖球形母机器人和若干微型子机器人组成的子母机器人系统,母机器人由电机驱动,具有矢量喷水-四足步行复合式一体化驱动机制、水陆两栖运动模式等特点,子机器人由智能驱动器驱动。首先对子母机器人系统进行了描述;其次对两栖母机器人进行了运动学建模分析、陆地运动步态设计;最后搭建了两栖球形母机器人原型机样机,且基于所设计的静态爬行/动态对角小跑步态进行了一系列的陆地运动实验,验证了母机器人陆上静/动态步态运动的灵活性和可行性。     

基于Arduino控制的球形机器人

主要介绍了球形机器人的内部结构和运动原理以及一些设计细节、硬件的选型等。它是通过无线遥控手柄控制内部电机的转动改变机器人的重心,从而实现运动。理论上可以实现全方位的移动。     

内外混合驱动球形机器人越障运动性能分析

应用机器人重心偏移力偶驱动的方法,设计了一种内外混合驱动球形机器人装置,并制作了该机器人的试验样机。根据力矩平衡原理,对于风驱动、内驱动和内外同时驱动的不同驱动方式,建立了描述球形机器人越障运动性能的约束方程,得出了风速、地形倾角、障碍物高度、球体配重、球体尺寸及质量等各参数之间的关系。编制了越障运动分析程序,运动仿真实例表明了该越障运动分析结论的正确性。     

基于动态滑模函数的球形机器人稳定平台控制

论文针对北京邮电大学自主研制的球形机器人BYQ-7b,依靠内部驱动单元产生的偏心力以及惯性力来保证球体的运动。为了保证球形机器人的内部平台在运动过程中能够平稳可控,研究一种球形机器人的稳定平台控制方法。基于拉格朗日方程建立球形机器人的动力学模型,通过对模型的线性化处理,提出了一种基于动态滑模函数的控制方法,保证系统输出信号精确跟踪期望值,使球形机器人的内部能够快速形成一个稳定平台。最后通过仿真验证了该控制器的有效性。     

球形移动机器人的研究进展与发展趋势

球形移动机器人(简称球形机器人)是一种拥有球形外壳的全封闭机器人,它通过质心偏移或者动量守恒等原理来实现运动。该类机器人具有良好的密封性,平衡性强且运动灵活性高,不存在侧翻问题,因此球形机器人在星球探索、危险环境探测等领域具有较大优势和广泛应用前景。然而球形机器人具有非完整约束、欠驱动、非链式等特点,导致其运动控制问题非常复杂且常规控制方法无法应用到它的运动控制上,阻碍了球形机器人的应用和发展。对国内外在球形机器人的机构设计、运动学和动力学建模方法以及控制方法等方面的研究进展进行回顾、综述与分析,其中也包括作者所在实验室对BHQ系列球形机器人研究工作的全面回顾;按照驱动方式对球形机器人进行归纳分类,并从运动学建模、动力学建模、开环控制和闭环控制四个方面介绍球形机器人研究的关键技术和发展趋势;最后针对球形机器人的研究进展和发展趋势给出五点结论。     

基于再生能源的极地漫游机器人研究及现场试验

研制应用于南极地区进行科考,基于再生能源的极地漫游者机器人系统。根据南极地区特有的地形、地面条件、温度、风速等自然条件对机器人系统结构、驱动、控制和能源系统进行分析与设计。为满足在南极冰盖地区持续漫游的需要选择时间分布更为均衡的风能作为机器人能源方案,选择更适合该机器人结构的垂直轴风力发电机系统。为提高机器人能源使用效率而选择轮式驱动结构和轮内电动机方案。设计差动式连杆与可调式摆腿结构,提高其通过能力和平稳性。并赴南极中山科考站进行现场测试,结果表明该机器人对中山站站区附近不同地面条件的适应力较好,对障碍的通过能力满足要求,再生能源系统可为机器人提供稳定的能源供给。但现场试验也暴露出机器人转向模式、能源捕获效率和控制模式上与环境特点不匹配的问题,需要通过进一步研究和试验进行改进。     

足式机器人轻量化液压油源匹配设计方法研究

液压油源是足式机器人液压驱动系统的核心供能元件,将电能产生的机械能转化为油液的压力能,为驱动机器人各关节运动提供动力源。液压油源质量一般占据足式机器人整机质量超过20%,实现油源的轻量化,将有助于提升足式机器人的续航能力、机动性和承载能力。传统液压油源设计过程中更关注性能,在轻量化匹配设计方面还有待进一步完善。首先进行足式机器人轻量化液压油源的原理设计;其次将液压油源以功能为依据进行模块划分,分析液压油源各模块质量影响参数;针对质量与体积占比较大的电机泵进行匹配研究,针对蓄能器模块进行参数轻量化分析;针对集成阀块的轻量化设计,研究流道构建与元件排布原则;成功研发一种轻量化液压油源样机;最终形成了一种足式机器人轻量化液压油源匹配设计方法,有助于实现足式机器人液压驱动系统的轻量化。     

一种履带式移动机器人的控制系统设计

针对一辆无刷电机驱动的履带式移动机器人BHTR-1,对其包括运动控制系统、信息检测系统、无线遥控系统等各部分在内的控制系统进行了设计。运动控制部分采用以DSP LF2407A为主控芯片、以无刷电机专用芯片MC33035和驱动桥MPM3003为电机驱动控制的方案;信息检测系统采用红外传感器来检测环境障碍信息,并安装无线视频设备用以监控机器人运行环境;无线遥控系统采用摇杆式脉宽比例调节方式来实现对机器人的调速及其他运动控制。     

球形机器人的跳跃运动分析

球形机器人除了能进行滚动运动外,还可以实现跳跃运动。跳跃运动方式与滚动运动方式的结合,可以扩大其活动范围,进而提高球形机器人的机动性和灵活性,拓展其应用领域。因而球形机器人的跳跃运动是一种重要的运动方式。在分析球形机器人滚动行走的基础上。推导出了球形机器人的起跳每件;利用拉格朗日方程得到了球形机器人跳跃运动微分方程;通过求解该跳跃运动微分方程得到了球形机器人跳跃高度和跳跃长度的公式。最后,对球形机器人的跳跃运动进行了仿真。这些工作的完成为球形机器人跳跃运动的进一步研究打下了基础。     

双足机器人并联踝关节优化设计

通过对人的踝关节运动机理分析,设计一种新型的双足机器人踝关节并联机构。建立并联机构的参数化模型,并对该模型进行运动学和动力学分析,得出该并联机构的一阶影响矩阵、伸缩运动的驱动力与零力矩点(Zero moment point, ZMP)轨迹关系。由于实际双足机器人行走时踝关节驱动力矩与角速度差异较大,为解决双足机器人步态行走中踝关节的动力学不平衡特性,结合并联机构的运动特点,迭代计算优化并联机构的结构参数,使踝关节两个驱动元件的驱动功率峰值和速度趋于一致。进行双足机器人步行试验研究,结果表明,优化后的并联结构踝关节的驱动功率峰值是串联结构下功率峰值的50 %左右,降低驱动元件的功率设计要求。在满足双足行走时踝关节的运动性能要求下选择小功率的驱动元件,有利于减小关节的体积和质量,减小能耗。     

基于运动微分方程的搬运机器人姿态控制器设计

搬运机器人在工作过程受到外界环境干扰的影响,姿态难以平衡,为此设计一种基于运动微分方程的机器人姿态控制器。根据机器人两轴之间的约束关系计算角速度和线速度,构建动力学模型;从运动控制、状态监测等分析控制器功能需求,将硬件部分分为主控芯片、姿态检测和电机驱动等模块,选择适宜的芯片和传感器,满足抗干扰要求;利用运动微分方程确定机器人的可行姿态,形成姿态约束;采用遗传算法选择最优个体,多次迭代后获取最佳姿态控制参数,实现自动控制。实验结果表明,该控制器能够保证机器人搬运过程中具有较强的自平衡能力,在外界环境干扰下,控制器仍能确保机器人姿态快速恢复平稳。     

MECHANISM DESIGN AND MOTION ANALYSIS OF A SPHERICAL MOBILE ROBOT

A new spherical mobile robot BHQ-1 is designed. The spherical robot is driven by two internally mounted motors that induce the ball to move straight and turn around on a flat surface. A dynamic model of the robot is developed with Lagrange method and factors affecting the driving torque of two motors are analyzed. The relationship between the turning radius of the robot and the length of two links is discussed in order to optimize its mechanism design. Simulation and experimental results demonstrate the good controllability and motion performance of BHQ-1.     

螺旋驱动管内机器人自适应运动机理与机构设计

为了提高螺旋驱动式管内机器人在直管道和不同曲率半径弯管道中的环境适应能力,对自适应运动机理这一问题展开研究。考虑管道环境特点,在机器人运动学和力学建模的基础上,分别提出直行运动机理、转向运动机理和负载能力调节机理。调节螺旋轮倾角能够使螺旋驱动式管内机器人具有环境自适应性,并能够避免运动干涉和滚轮打滑的问题。基于自适应运动机理,提出一种基于自适应联动机构的螺旋驱动式管内机器人。自适应联动机构通过偏心臂反馈环境信息,并利用差动原理改变螺旋轮倾角。动力学仿真结果表明:该机器人能够机械自适应地通过直管和不同曲率半径的弯管,同时能够通过自适应联动机构调节负载能力。     

45°车把转角下前轮驱动自行车机器人的定车运动

针对无配重调节器的自行车机器人在低速下不易平衡的问题,以一种前轮驱动自行车机器人为对象,给出其力学模型及在45°车把转角下定车运动的实现方法。通过车轮转弯半径分析推导出后轮角速度、车架航向角速度与前轮驱动速度、车把转角的关系,采用拉格朗日方程建立系统的力学模型;根据部分反馈线性化原理,将包含车架横滚角的欠驱动子系统线性化,设计出自行车机器人45°车把转角下定车运动的平衡控制器。仿真控制结果表明,合理选择控制参数,控制器可以快速地实现自行车机器人在45°车把转角下的定车运动;样机试验结果进一步证明,控制器可以使自行车机器人在不超过驱动电动机的力矩容限下实现45°车把转角下的定车运动。定车运动的实现从理论和试验两个方面证明,自行车机器人在低速下可以不需要配重调节器,仅依靠车把转动和前轮驱动保持稳定平衡。