蛇形机器人蜿蜒运动的摩擦机理及推进条件

针对带有从动轮的蛇形机器人,考虑实际结构中从动轮在蛇形机器人关节连杆上的安装位置,建立蛇形机器人蜿蜒运动的动力学模型。提出一种库伦-粘滞混合摩擦力模型,整体的库伦摩擦力特性和临界点处的粘滞摩擦力特性,避免了库伦摩擦力模型本身的非光滑性,以提高动力学模型的求解效率与计算稳定性。基于改进的动力学与摩擦力模型,利用摩擦系数比来表征法向与切向摩擦力的各向异性程度,通过对蜿蜒运动的仿真分析,讨论了摩擦系数比对前向运动速度与推进效率的影响规律,并对运动过程中蛇形机器人各个关节模块的速度和摩擦力变化进行了分析,明确了蛇形机器人蜿蜒运动的摩擦学机理,解释了蛇的蜿蜒抬起运动能够有效减少摩擦阻力而适用于高速运动的原因。最后通过带从动轮的蛇形机器人样机实验,对实现蜿蜒运动的摩擦学推进条件进行了验证。研究对于实现蛇形机器人的结构优化,步态规划与运动控制具有重要的理论意义与实际指导价值。     

一种蛇形机器人的直线蜿蜒运动规划

针对蛇形机器人的蜿蜒运动,分析了其运动机理,在虚拟样机软件中导入了蛇形机器人结构模型,建立了动力学方程,对蛇形机器人的运动轨迹进行了规划,分析了关节角度函数中转角幅值、摆动频率、相位差、比例因子以及静摩擦系数对其运动轨迹的影响。结果表明,通过合理设置关节角度函数中的各个参数,能保证蛇形机器人的运动具有基本的稳定性,且一定范围内的参数变化能实现最佳直线蜿蜒运动。最后,给出了各个关节的驱动力矩,为驱动机构的选型和物理样机的加工提供了理论依据。     

三维蛇形机器人巡视者Ⅱ的开发

蛇形机器人具有比传统移动机器人更强的运动能力,为实现机器人的三维运动而开发的蛇形机器人巡视者Ⅱ是一个具有强驱动力和高机动性的三维蛇形机器人.它由具有3自由度的模块化单元组成,该单元具有俯仰、偏航和回转3自由度,单元的俯仰和偏航运动是通过由3个伞齿轮组成的差速机构耦合驱动.该单元的圆柱形外壳周围安装有一系列的被动轮来增加机器人运动灵活性.对蛇形机器人模块单元的自由度作了详细分析,并基于机器人的运动机动性设计三维蛇形机器人的单元结构.给出蛇形机器人的控制系统结构,并对耦合变量进行解耦.将蛇形机器人的蜿蜒运动和扭转运动两种基本步伐应用到巡视者Ⅱ上,试验结果证明了该三维蛇形机器人具有很强的机动性和运动能力.     

基于STM32的夹爪式蛇形机器人控制系统设计

为了提高蛇形机器人的自主作业能力和环境探索能力,设计了一种基于STM32的夹爪式蛇形机器人控制系统。该系统包括计算机控制终端、机器人运动系统和检测系统3部分,机器人采用STM32作为主控芯片,通过多种传感器采集所需环境信息,头部关节具有机械夹爪能够实现抓取任务。为了简化机器人的控制复杂度,在控制器中引入基于Hopf振荡器的双层中枢模式发生器(CPG)方法用于生成机器人的步态控制信号。经过实验验证,该控制系统有效提高了蛇形机器人的自主作业能力,并且能够满足环境信息实时检测的任务要求。     

蛇形机器人避障的模糊神经网络控制

通过对蛇形机器人平面蜿蜒运动分析，利用模糊神经网络控制原理，对蛇形机器人的避障进行控制，实现了用蛇形机器人左右摆动电机为控制对象的蜿蜒避障运动，并给出了相应的仿真结果。     

三连杆轮式蛇形机器人设计及运动分析

为了克服被动轮驱动蛇形机器人运动能力弱的缺点,提出了一种新型三连杆主动轮驱动蛇形机器人.该蛇形机器人由多个被动关节连接的串联连杆组成,每个连杆的中心都有一个主动全向轮.全向轮的驱动力只作用于横向,而机器人则沿纵向运动.此外,针对该蛇形机器人具有非完整约束和欠驱动的特点,采用局部坐标系,设计了一种带有防滑功能的运动控制器...     

水陆两栖蛇形机器人的研制及其陆地和水下步态

针对沼泽、浅滩等复杂环境对蛇形机器人的环境适应需求,在广泛分析国内外水陆两栖蛇形机器人研究最新进展的基础上,研发一种新型水陆两栖蛇形机器人。该机器人由9个具有密封设计的万向运动单元组成,保证了样机在陆地和水中均能灵活运动。基于简化的蛇形曲线得到水陆两栖蛇形机器人的基本二维运动步态即蜿蜒运动。对两个垂直平面上,即水平面和竖直面上基本步态进行复合,由基于启发式思想的三维步态生成方法,得到包括侧向蜿蜒等运动的水陆两栖蛇形机器人的多种陆地步态和水下步态,其中S形翻滚运动和螺旋翻滚运动为蛇形机器人的两种新型步态。通过步态试验验证了水陆两栖蛇形机器人的陆地和水下运动能力。在试验过程中,对陆地和水下步态的性能做出分析,分析结果对水陆两栖蛇形机器人在陆地和水下运动的位置和姿态控制具有重要意义。     

多仿生步态蛇形机器人分析和实现

为使传统的蛇形机器人具有在不同环境下运动的能力,研究开发了一种具有蜿蜒步态和直线步态的多步态蛇形机器人。对机器人的运动原理、机械结构和控制系统做了介绍,并进行了仿真分析和实验验证。蜿蜒步态采用经典的Serpentine曲线,直线步态采用单驻波以及多驻波蠕动步态。机器人由7个单元模块顺序连接,每个单元模块上各设计了一个摇摆关节和直动关节,单元模块配置独立的锂电池供电、无线通信、电机驱动电路。整个单元模块在机械和电气上完全模块化。仿真中对影响机器人构型和前进速度等参数进行了分析和确定。实验表明,机器人运行可靠、软件控制直观方便,具有在平地上进行蜿蜒运动和直线运动的能力以及在狭窄的管道中进行直线运动的能力。     

蛇形机器人动力学建模的虚设机构法

基于应用影响系数和虚功原理,通过虚设动力机构提出一种蛇形机器人动力学建模方法,导出考虑骨节侧向滑动条件下的蛇形机器人二阶非完整约束方程。应用这种方法无需进行繁琐的求导或消元运算,可直接基于所给公式编程进行蛇形机器人正逆双向动力学仿真,从而为研究蛇形机器人的动力耦合特征和开发具有二阶非完整约束的蛇形机器人的运动控制器,提供一种实用有效的方法。该方法不仅适于平面运动蛇形机器人,还可进一步推广实现空间运动的蛇形机器人的动力学建模与仿真。     

蛇形机器人移动和连接方式的研究状况

首先,分析了蛇形机器人常见的4种移动方式,即蜿蜒运动、行波运动、侧向运动和螺旋运动,以及各自的运动机理和特点。然后,针对蛇形机器人关节的连接方式,比较分析了较为成熟的平行连接、正交连接、万向节连接和P-R连接的各自特点和应用范围。最后,展望了蛇形机器人连接方式未来的发展趋势。