可重构磁耦合水下推进器的磁场分析及性能评估

在保证微小型水下机器人运动灵活的同时,降低矢量推进器机械复杂性,改善其防水密封问题,设计了一款可重构磁耦 合的水下矢量推进器。 基于磁耦合非接触式动力传输,解决了驱动电机与螺旋桨之间的防水问题;与此同时,采用重构机构在 两自由度内改变螺旋桨位姿,实现了可重构矢量推进水下机器人的目的。 在建立磁耦合磁场模型的基础上,通过 ANSYS Maxwell 磁场仿真与搭建的磁转矩测量装置,验证了磁场建模的正确性并分析了重构机构对磁耦合动力传输磁转矩的影响。 在 此基础上,进一步搭建了螺旋桨水下测力装置,评估了转速与推力以及不同重构角下最大矢量推力的变化情况。 结果表明,推 进器能够在[-15°,15°]两自由度可重构角范围内稳定地输出矢量推力。     

水陆两栖六足机器人的设计与性能评估

为提高机器人两栖环境下的运动性能,同时降低其运动机构在水陆间切换的机械复杂性与控制难度,提出了一款复合运动肢的水陆两栖六足机器人。对机器人进行陆地和水下的运动规划,解决了机器人适应不同坡度斜坡地形的稳定性问题;通过配置矢量推进器的位姿,实现了机器人多自由度的水下运动。ADAMS下机器人爬行运动的仿真结果在验证机械设计合理的前提下也表明机器人在不同坡度的斜坡爬行具有较好的稳定性。为进一步评估机器人的运动性能,搭建了机器人样机,在测试机器人斜坡爬行性能的同时,验证了机器人在水下可实现包括直行、旋转、上浮和下潜的多自由度运动。实验结果表明,机器人在陆地与水下均具有良好的运动性能。     

基于可旋转推进器的水下机器人运动控制研究

通过对水下机器人在运动过程中的受力以及力矩分析,水下机器人采用可旋转推进器,所以要实现六自由度的运动只需要4个推进器,采用推进器布局。建立了基于可旋转推进器的水下机器人六自由度运动方程,并有针对性的对六自由度运动方程进行了简化。水下机器人运动控制的分析离不开动力学模型,所以对其进行受力和力矩分析是必要的。在简化的运动方程的基础上设计了运动控制系统,并使用Matlab对其进行仿真验证。     

多矢量推进水下航行器6自由度非线性建模与分析

采用舵和矢量推进器联合进行航向控制的新型水下航行器,实现高、低速下不同航向控制方式的多种运动模式.根据其结构特点和运动特性,运用欧拉角法建立6自由度运动学模型,针对纵倾角θ=±90°时存在奇异点的问题,采用四元数法进行解决,保证任意姿态下的运动求解.基于牛顿第二定律和拉格朗日方法建立多矢量推进水下航行器的6自由度非线性动力学模型,两种方法所推导的动力学模型完全一致,验证模型的正确性,并为控制系统的设计奠定基础.进一步采用四阶五级龙格-库塔积分算法进行动力学方程求解,解决水下航行器耦合非线性空间运动方程运算难和显示难的问题.通过多矢量推进水下航行器空间运动性能的计算和分析,进一步验证其运动学和动力学模型的有效性,并表明低速航行时采用矢量推进器控制航向和高速航行时采用舵控制航向可以较大地提高水下航行器的机动性能.     

一种水下机器人的水面平台控制系统设计

针对水下机器人进行水下检测时的实时控制和监控问题,对水下机器人的推进器结构、运动方式、通讯方式、机体状态显示方式、运动控制方法等方面进行了研究,对水下机器人实现高效水下检测所需的各功能需求进行了归纳,提出了一种基于Lab VIEW的ROV水下机器人的水面平台控制系统,利用实验水池对水下机器人的人机交互界面和摄像头拍摄图像进行了测试。研究结果表明,该系统能实时监测水下机器人的各项性能数据,能够实现通讯连接、机体状态显示、运动控制等多项功能,实时控制响应迅速,实时监控效果好。     

基于AVR单片机控制的水下推进器设计

为了保证水下机器人能够快速有效地执行指定的任务,性能优良的推进系统是必不可少的。设计了一种高效率的导管螺旋桨水下推进器,采用三维造型软件SolidWorks设计推进器整体结构,运用ANSYS对推进器外壳进行静力分析,以校核推进器壳体的结构强度,利用ATmega 16单片机实现对螺旋桨推进器的运动控制,最后通过水下实验对推进器的运动和密封性能进行了验证。     

警用水下机器人本体的设计

介绍了一种在水下进行刑事证物的探测识别、涉案水下现场搜索调查和水下证物打捞作业的警用水下机器人本体。机器人用两个主推进器和两个辅推进器实现其前后、浮潜和左右转弯运动,带有与控制相关的传感器和计算机以及水下探测设备,可实现水下机器人的自主定深航行,并具有对水下目标的光学探测和声纳探测能力。试验验证,该机器人能高效地完成作业使命任务,对水下机器人的设计有一定的借鉴参考价值。     

基于双斜面偏转关节的新型仿生机器鱼推进机构研究

提出一种用于仿生机器鱼的新型尾部推进机构,该机构主要由双斜面偏转关节构成,可通过调节推进机构的2个驱动电机耦合转动来完成其两自由度偏摆运动。首先,阐明了该两自由度耦合偏摆关节的运动学机理,并通过ADAMS运动仿真,验证了其应用于机器鱼上实现直线游动的可行性。然后,建立了仿生机器鱼的直线巡游控制策略,并采用无人机航拍在户外水塘中进行了直线游动实验。水下实验测试结果表明,该仿生机器鱼可实现速度可控的直线巡游,最大速度为0.69m/s。与现有结果相比,基于双斜面偏转关节的仿生推进机构可为机器鱼设计提供新的参考。     

一种水下机器人系统设计

水下机器人在水域勘测和军事侦查等领域正在发挥越来越重要的角色。针对现阶段水下机器人价格昂贵,设计复杂的特点,设计了一种结构简单的水下机器人,主要由四个无刷电机推进器和密封舱组成。围绕水下机器人系统结构,阐述了机器人的硬件结构与密封方式、卡尔曼滤波在GPS与捷联惯性导航组合导航的应用、控制简化与分解方法与上位机系统的编写和实现。最后,使用该机器人系统在水池中进行运动控制实验。实验结果表明:水下机器人在航行过程中密封可靠,运动平稳,能够满足水下机器人的运动控制要求。     

液压推进型水下机器人的运动控制方法研究

针对液压推进型水下机器人的定向控制问题,对液压推进器的比例滞环、机器人多自由度运动模型、控制器设计等方面进行了研究,提出了液压推进器转速PI控制与ROV定向PID控制相结合的控制方法;在Matlab/Simulink中建立了海马号水下机器人的六自由度动力学模型,并设计了带螺旋桨转速PI闭环的定向控制器;该定向控制器包括控制手柄输入、定向PID控制器、推力分配及合成矩阵、螺旋桨转速PI控制器等,利用仿真试验模型对控制器进行了抗干扰测试。仿真结果表明:所提出的复合PID控制器可显著减小由于液压推进器推力不一致引起的定向角度控制误差,具有比常规PID控制器更好的控制性能。     

Delta型全方位推进器调距机构设计与分析

全方位推进器通过调距机构使叶片螺距角发生周期性调整,进而产生全方位推力,它能够给水下机器人提供很好的操纵性以便高质量地完成水下勘测任务。文中提出了一种新型的Delta型偏心盘调距机构,它由两个Delta并联机构和分布在3条支链上的3个空间四杆机构组成,通过Delta机构控制偏心盘的3个移动自由度来实现叶片螺距角的周期性调整。此调距机构具有刚度大、运动精度高、动力学性能优良、质量轻、结构紧凑、空间布局合理的优点。采用矢量法与几何法相结合的方法对调距机构进行了位置正反解,分析了偏心盘的运动区间和叶片螺距的可调范围,验证了叶片螺距角周期变化规律为简谐规律,并建立了预设叶片螺距变化规律与偏心盘位移之间的关系。     

水压人工肌肉驱动喷水矢量推进系统设计与试验

传统喷水矢量推进系统的驱动器存在密封困难、易腐蚀、使用寿命短、结构复杂等问题。为了解决这些问题,开发了水压人工肌肉驱动的喷水矢量推进系统。基于水压人工肌肉调节关节转角的驱动方式,对二自由度喷水矢量推进系统进行设计,并建立水压人工肌肉工作压力与喷嘴偏转角度的对应关系,先后进行了喷嘴矢量调节试验和水下自航试验。喷嘴矢量调节试验结果显示,当人工肌肉压差分别为0.310,0.614,0.898,1.158,1.386,1.584 MPa时,喷嘴实际偏转角度为13.56°,21.66°,33.24°,44.21°,52.80°,56.88°,试验结果与理论计算结果平均偏差为10.8%。水下自航试验表明,水压人工肌肉作为驱动器不仅能够满足喷嘴偏角矢量调节的要求,同时能够实现喷水矢量推进机器人的矢量运动,为研发能耗低、结构紧密的水下智能装备提供了新的思路。     

一种可重构蛇形机器人的研究

提出了一种新型的可重构蛇形机器人机构。该机构主要特点是单关节结构模块化，具有可适应地面形状变化的柔性连接环节和类似于蛇腹鳞摩擦特性的机构底部，手动可重构，当单自由度关节轴线互相平行连接时，该机构可实现多种平面运动形式，当单自由度关节轴线垂直依次连接时，形成的蛇形机器人具有两自由度的关节，可进行多种空间运动。试验结果证实，该蛇形机构重量轻，控制简单，运动灵活，能够很好地仿生蛇的多种运动形式。     

蠕动转向机构的设计与分析

拱泥机器人是一种能在水下泥土环境中按照规划轨迹完成攻打千斤洞作业的新型水下特种机器人,蠕动转向运动的实现是拱泥机器人设计中的一个重要环节.为了有效地实现拱泥机器人的转向运动,根据并联机器人机构结构综合理论,设计3自由度蠕动转向关节,该关节具有推进、跟进和转向3个功能,运动过程分为推进动作和跟进动作两个部分.分别针对两种动作的运动学逆问题进行详细分析,给出数学模型及其求解过程,并建立该关节的虚拟样机模型.利用MATLAB软件求解运动学逆问题,利用ADAMS软件求解运动学正问题,并对关节运动学正逆问题进行实例分析.仿真数据表明,该关节设计合理,数学模型正确,为拱泥机器人的运动学、动力学及优化设计研究打下了基础,并为控制系统的设计提供了理论依据.     

水下浮游爬行式机器人结构设计与研究

为了满足水下灵活运动和底板全覆盖巡检作业的需求,设计了一款兼具浮游与爬行功能的水下机器人。机器人采用履带式移动机构,实现在水底结构物底板上的覆盖运动;通过八推进器布局,可以在水下六自由度浮游运动。对机器人平地行驶、上下斜坡的稳定性进行分析,得出机器人稳定运行的浮心可行域。使用动力学仿真软件Recurdyn进行典型工况下的机器人动力学仿真分析,机器人可以在平地直行和上下15度斜坡时稳定运行不倾翻。进行样机试验,机器人性能满足设计指标。     

空间多机器人协同运动规划研究

面向空间在轨装配任务提出基于优先级的多机器人协同运动规划方法。多机器人系统包括一个7自由度操作机器人和一个13自由度超冗余照明机器人。采用两种规划方法规划高优先级的操作机器人,即关节空间点到点的离线路径规划和基于伪逆的笛卡尔空间在线运动规划。针对低优先级的超冗余照明机器人,将操作机器人视为已知障碍,采用基于A~*算法和末端轨迹跟随的可重构运动规划方法,将运动规划分解为末端路径规划和机器人各关节对轨迹的跟随问题,并验证算法的可重构性。采用具有特定运动学形式的机器人模型进行仿真试验,仿真结果表明,提出的各个机器人的运动规划方法均能有效满足任务需求,且照明机器人的运动规划算法具有可重构性,多机器人系统基于优先级的协同策略能够满足空间在轨装配任务需求。     

非叠加型可变形两栖机器人水下推进方法

受自然界中变形虫和生物蛇启发,将可变形和链式构型特性引入两栖机器人。通过运动特性、水环境适应性和可变形能力扩展等综合分析,设计了没有添加额外水下推进机构的非叠加型两栖机器人链式可变形构型。该机器人在陆地环境具有较高机动性外,还具有履带划水和仿生划水组合的复合推进方式。提出基于理想推进器的履带划水推进模型;针对仿生划水时运动学与流体力的耦合关系,提出基于拉格朗日方程的运动学-动力学联合运动模型,并建立了转向模型,完成仿生推进方式的水中机动性能分析。通过仿真分析了履刺高度和分布等机构参数以及幅值、频率等运动参数对水下推进性能的影响。利用基于链式可变形构型研制的机器人样机Amoeba-II进行了水环境试验,验证该构型在水下推进中的有效性,并对履带划水和仿生划水的推进效率、稳定性进行对比。     

仿生机器鱼的运动学参数及实验研究

研究了尾鳍运动参数对推进速度的影响，进行了2关节仿生机器鱼与单关节尾鳍摆动式水下推进器的对比实验，给出了实验结果。实验结果表明2关节仿生机器鱼比单关节尾鳍摆动式水下推进器在相同实验条件下具有更高的推进速度。该仿生机器鱼可以实现对水下运动装置的推进，并且具有噪声低、对环境扰动小等特点。     

一种可重构四足移动机器人的几何约束及其抗倾覆能力

提出了一种在倾倒后具有自我恢复能力的四足并联移动机器人。该四足机器人的腿部结构由一种可重构空间六杆机构构成,该六杆机构由两个改进型球面五杆机构并联而成,具有两种不同的运动位形。其中,运动位形Ⅰ具有1R2T共3个自由度,满足四足机器人对腿部行走机构的自由度需求;运动位形Ⅱ具有2个自由度且工作空间很大,满足其翻身所需要的工作空间条件。运用螺旋理论对球面五杆机构和可重构六杆机构的两种运动位形进行了几何约束分析,这两种运动位形具有互锁性能。运用D-H法对可重构六杆机构进行了逆运动学分析并得到其工作空间,验证了四足机器人翻身的可实现性。分析了四足机器人在翻身时的步态,得出了其在倾倒后自我恢复时腿部电机转动角度与机器人机身重心的关系。在四足机器人的翻身过程中,其腿部的可重构六杆机构均处于运动位形Ⅱ。在Adams软件中验证了预设翻身步态的正确性与合理性。     

基于动态免疫模糊聚类的金属焊缝缺陷等级磁记忆识别模型

针对两栖环境中机器人多自由度灵活稳定运动的需求,设计了一种具有"轮-腿-矢量喷水"复合驱动机制的小型两栖球形机器人。首先介绍了机器人的主要结构组成:一个密闭的上半球壳、两个可开关的1/4球壳、4条复合式驱动腿以及滑行模块等;其次,对球形机器人的复合驱动机制进行分析和建模;接着,根据水下环境和机器人的特性,设计了基于传统PID算法的神经网络自整定控制算法;最后,在室内水池中进行了机器人运动的实验测试。实验结果表明,机器人在水中运动性能良好,运动轨迹和姿态角误差在控制器接受范围之内。所提出的具有复合驱动机制的自主式两栖球形机器人,在滨海两栖环境的资源勘测等方面具有广阔的应用前景。