柔性轮式移动弹跳机器人设计与运动性能研究

为了提高机器人在复杂环境中的适应性能,解决弹跳机器人姿态调整和翻转复位的问题,设计一种柔性轮系机构与集弹跳、调姿和翻转复位一体的多链弹跳机构结合的柔性轮式移动弹跳机器人。运用柔性轮系机构实现机器人平坦路面快速稳定的移动,通过柔性轮的弹性变形消除弹跳运动的部分落地冲击力,并基于铁木辛柯梁理论对柔性轮进行受力变形分析。多链弹跳机构能实现机器人的弹跳运动、起跳角度调节和落地后翻转复位,具有单机构多功能的特点。设计了一种复合螺母机构,当复合螺母机构的螺母片闭合时,储能电机驱动丝杆转动实现机器人弹跳储能;当螺母片分离时,瞬间释放弹簧的弹性势能实现机器人的弹跳运动。运用ADAMS对机器人的姿态调整、弹跳运动和翻转复位进行仿真,研制柔性轮式弹跳机器人原理样机并进行弹跳运动实验,结果表明,该柔性轮式移动弹跳机器人的设计具有可行性。     

电动弹跳轮式复合机器人结构设计

弹跳机器人可以跃过数倍于自身尺寸的障碍物,与轮式移动方式结合可以大大提高机器人的活动范围和对地形的适应能力。研制了一种电动弹跳和轮式移动复合运动机器人,介绍了机器人的工作原理和机械结构,提出了一种可靠的机器人压缩和释放能量的机构,并对复合机器人进行了试验验证。     

一种基于SMA的微小型蠕动机器人

介绍了一种SMA驱动的微型轮式蠕动机器人的结构和控制系统。它采用轮式移动结构，打破近年来微小型机器人多采用腿式结构的传统。重点分析了并联式SMA驱动器和轮式移动机构的设计。微型机器人采用并联式SMA驱动器仿生蠕动输出力和位移，刚／弹耦合机构显著增大了微型机器人的前进步距，车轮逆向锁定机构控制了运动方向，确保了车轮滚动前进，实现了较高速度的运动。     

小型弹跳机器人的研究

弹跳机器人可以跃过数倍于自身尺寸的障碍物或沟渠,与原有的运动方式结合可以大大提高机器人的活动范围和对地形的适应能力。本文研制了一种具有轮式移动能力的弹跳机器人,集合了轮式移动和弹跳运动的优点,是对运动复合的有益尝试。同时对该机器人的运动能力做了仿真分析。结果表明该机器人具有极强的运动和生存能力。     

具有非线性弹跳力的仿袋鼠机构弹跳性能分析

构建了一种仿袋鼠肢体的非线性弹跳力机构模型,将其与线性弹跳机构模型在起跳阶段进行了动力学比较,分析了两者的弹跳性能,并通过计算机模拟和原理样机试验说明了分析的正确性,为仿生弹跳探测机器人的研制提供了基础.     

间歇性单足弹跳机器人落地冲击及稳定性分析

弹跳式机器人落地时与地面的撞击会造成机载设备的损坏 ,而且由于足部受力不均导致机构易翻转 ,难以保持正常的姿态继续弹跳。本文首先建立间歇式弹跳机构的双质量弹簧模型 ,对其进行动力学分析 ,并将弹跳动作划分为四阶段 ,分析了除起跳外其他三个阶段中所受外界作用。经过计算分析 ,最终归纳总结出五条减小落地冲击力及保持稳定的改善措施 ,这些措施为实用弹跳机构的设计提供了有益参考     

考虑驱动器特性的柔性弹跳机器人的轨迹跟踪控制

针对弹跳机器人存在的欠驱动问题以及轨迹跟踪控制问题,提出了电机和液压混合驱动的欠驱动仿生柔性弹跳机器人系统。首先建立欠驱动柔性弹跳机器人的运动学模型,通过5次多项式规划、主动关节和被动关节的动力学耦合关系得出各关节转角的变化规律,然后比较了考虑驱动器特性和不考虑驱动器特性时质心的运动规律。其次,建立考虑驱动器特性的机器人完整动力学模型,采用部分反馈线性化和极点配置相结合的方法对其进行运动控制。最后,仿真证明柔性关节能提高机器人弹跳性能,提出的控制方法是可行的。     

新型多模式弹性驱动器的弹跳性能研究

基于人体肌肉的仿生驱动机制,提出一种多模式弹性驱动器,采用电动机带动丝杆螺母串联弹簧,结合相应的刹车离合装置,实现驱动器不同模式的运动,并对其运动模式进行分析;建立弹性强驱动器的动力学方程,进行简谐激励下的弹跳运动研究,并进行不同负载、不同弹性系数下的弹跳运动仿真分析;进行弹性驱动器的运动性能试验研究,分别对弹性驱动器的刹车力、连续弹跳及单次跳跃进行试验,结果表明,弹性驱动器能实现有效刹车,在简谐激励下能实现良好的连续弹跳,在输入的双曲正切信号控制下,能实现良好的单次弹跳;多模式弹性驱动器研究对对深入理解仿生驱动器的运动机理提供了重要的理论基础。     

仿青蛙跳跃机器人的机构设计与运动学分析

当前弹跳机器人有着很广泛的应用前景。首先在大量查阅和分析国内外弹跳机器人研究文献资料的基础上,综述了当前弹跳机器人的基本理论和研究现状;采用弹簧和连杆机构设计机器人的机构;在此基础上,对其运动进行了分析。     

仿蝗虫机器人的弹跳腿结构设计与优化

首先对蝗虫的生理结构及其弹跳腿的组成进行了研究,提出了一种采用不完全齿轮、弹簧、连杆等部件建立的仿蝗虫弹跳机器人结构模型。给出了约束条件,以跳跃距离最大作为优化目标,运用信赖域优化算法对机器人的相关结构参数进行了优化,并确定了其弹跳腿的机构尺寸,优化后的腿部结构尺寸较优化前总体减小了13.33%,同时跳跃距离增大了10.42%。通过ADAMS在蓄能阶段运动的仿真分析,验证了机构设计的可行性,为实现高性能的仿蝗虫弹跳机器人奠定了基础。     

六独立轮驱动管内检测牵引机器人

研制了一种用于海底管道内检测系统的无缆自治型轮式牵引机器人模拟样机。介绍了机构组成及工作原理,并分析了动态行走特性。机器人采用内置电动机及传动机构的全主动轮杆式结构,包括六只驱动臂杆和机架杆。每只驱动臂杆的首端直接安装一对主动轮,由其内的一台电动机单独控制。六只驱动臂杆周向60°等间距排列在机架的外层空间,且首尾交替、轴向交错布置,形成六独立轮双截面驱动方式。位于内层中心的机架杆,两端布置力封闭可调机构,产生驱动轮与管壁的主动预紧或解锁。该机器人具有体积小、结构紧凑、牵引力大的特点。试验证明,适合作小直径管道检测系统的理想牵引装置。     

Computer-aided design of a leg for an energy efficient walking machineLa conception assitee par ordinateur d'une jambe pour une machine marchante energetiquement efficace

Vehicles with legs instead of wheels have been studied for a number of years. One of the reasons for interest in such vehicles is that animals use only 10% as much energy as wheeled or tracked vehicles when traveling over rough terrain. The leg geometry is the most crucial aspect of the design since it strongly influences the efficiency of the vehicle. The legs should be simple in structure, and when the motion of the body is on a horizontal straight line, only one actuator per leg should be active in order to have good energy efficiency. The design of an energy efficient walking machine leg is described in this paper. In the design procedure, the motion of the leg is considered first, and a very simple leg developed from a 4-bar linkage and designed using a computer-aided interactive program is described. Second, the forces on this leg during a typical motion cycle are discussed. The leg is driven by a primary actuator for straight line walking and two secondary actuators which vary working height and change direction. A prototype of the leg is being built in The Department of Mechanical Engineering at The Ohio State University.     

轮式移动机器人电机驱动系统的研究与开发

以嵌入式运动控制体系为基础,以移动机器人为研究对象,结合三轮结构轮式移动机器人,对二轮差速驱动转向自主移动机器人运动学和动力学空间模型进行了分析和计算,研究和设计了自主移动机器人电机驱动系统,开发了一套二轮差速驱动转向移动机器人电机驱动系统,完成了系统各部件的整体装配和调试。试验结果表明,该设计方案可行、系统运行稳定可靠、成本低廉、所用元件易于购置,具有较好的实用的价值和应用前景。     

球—轮复合可变形机器人的结构设计与分析

设计一种将球形机器人与轮式机器人运动特点相结合的可变形移动机器人。该移动机器人可以适应多种复杂的地形环境,自身几何形状发生变化以实现球形和轮式机器人互换。球—轮复合型移动机器人的机构系统由可变形球壳、球体推进装置和轮式驱动装置组成。通过对可变形球壳的拉伸和收缩实现球形和轮式机器人之间的角色交换。运用理论推导和参数优化等方法对球—轮复合型移动机器人中的变形球壳、车轮、和驱动重摆的结构尺寸进行分析,并通过仿真试验验证了机构尺寸参数选择的合理性,为该复合型移动机器人的机构设计提供了理论依据。最后通过实物试验验证,证实了该移动机器人实现的可行性。     

恒定轮距的多连杆式独立悬挂系统设计

为解决全方位轮式移动机器人搭载传统悬挂装置越障行驶时,轮距变化和轮毂中心面侧倾导致机器人运动控制难度大等问题,设计了一款由平行四边形机构、偏置曲柄滑块机构和摆动摇杆机构组成的多连杆式悬挂装置。通过ADAMS软件进行了不同地形环境的动力学仿真分析与优化设计,确定了最佳连杆结构参数。实物样机试验表明,机器人越障行驶过程中的操控性能以及轮子着地性与运动精度得到提高。     

Dynamics and Wheel’s Slip Ratio of a Wheel-legged Robot in Wheeled Motion Considering the Change of Height

The existing research on dynamics and slip ratio of wheeled mobile robot (WMR) are derived without considering the effect of height, and the existing models can not be used to analyze the dynamics performance of the robot with variable height while moving such as NOROS-Ⅱ. The existing method of dynamics modeling is improved by adding the constraint equation between perpendicular displacement of body and horizontal displacement of wheel into the constraint conditions. The dynamic model of NOROS-Ⅱ in wheel motion is built by the Lagrange method under nonholonomic constraints. The inverse dynamics is calculated in three different paths based on this model, and the results demonstrate that torques of hip pitching joints are inversely proportional to the height of robot. The relative error of calculated torques is less than 2% compared with that of ADAMS simulation, by which the validity of dynamic model is verified. Moreover, the relative horizontal motion between fore?hind wheels and body is produced when the height is changed, and thus the accurate slip ratio can not be obtained by the traditional equation. The improved slip ratio equations with the parameter of the vertical velocity of body are introduced for fore wheels and hind wheels respectively. Numerical simulations of slip ratios are conducted to reveal the effect of varied height on slip ratios of different wheels. The result shows that the slip ratios of fore?hind wheels become larger?smaller respectively as the height increases, and as the height is reduced, the reverse applies. The proposed research of dynamic model and slip ratio based on the robot height provides the effective method to analyze the dynamics of WMRs with varying height.     

基于自适应结构的仿袋鼠机器人脚部研究及设计

根据袋鼠的生物结构特征,建立了仿袋鼠跳跃机器人的刚柔混合模型。利用自适应结构的可控性,将其应用于仿生跳跃机器人领域,来实现跳跃机器人在不同跳跃速度下的脚部轮廓变形以及在跳跃过程中脚部的变形。在SolidWorks中建立自适应结构脚的三维模型,运用拉格朗日方法建立机器人动力学方程,在此基础上,用ZMP法建立其落地稳定性的求解方程。结合实例仿真结果表明:具有自适应结构的变形脚有助于提高机器人在着地过程中的落地稳定性,增大起跳时间和调整起跳角度。     

欠驱动弹跳机器人最优运动姿态的驱动器配置

研究了具有一个被动关节的三关节单腿欠驱动弹跳机器人的轨迹规划问题。首先建立欠驱动机器人在着地阶段的动力学模型;然后采用数值迭代的方法,以主动关节驱动力矩最小为优化目标,得出了机器人各关节转角的运动规律;最后通过仿真得到三种驱动器配置情况下机器人的关节转角运动规律、姿态图以及驱动力矩,并对其进行了分析比较。结果表明：所提出的运动规划方法是可行的,采用髋关节和踝关节驱动是三种驱动器配置中最合理的情况。