一种跳跃机器腿的设计

提出了一种跳跃腿机构.为减轻质量,降低能耗,采用单电机驱动方式,通过分时控制实现机构的跳跃、空中收腿和能量调节动作.在结构设计中采用五杆机构作为腿部执行机构,并增加了脚掌和跗跖关节以保证跳跃和着陆时的稳定性.结合仿真分析了其跳跃过程及各阶段的关键动作,最后对机器腿进行了跳跃实验,实验证明:其具有很好的跳跃能力及较高的跳跃效率,能实现空中收腿动作以及稳定着陆.     

Analysis and comparison of three leg models for bionic locust robot based on landing buffering performance

Good landing buffering performance can reduce impact and vibration for the bionic locust jumping robot; thus, a landing buffer is important in evaluating the motion performance of the bionic locust robot. In particular, the legs of the robot are the main structures that realize the buffer; thus, its structure affects buffering performance. Three typical leg structure models are established based on the physiological analysis of the locust leg and research status, namely, bionic leg, multi-constraint leg, and arc legs. Kinematic and force analyses are conducted for these types of legs. Particularly, flexible deformation of leg link is considered in the analysis to describe the movement process accurately. In order to compare the buffering performance of these types of legs quantitatively, the performance indices with maximum buffering distance, the energy absorption capability, and the mechanical property are presented. Based on the performance indices, the structure parameters are analyzed and optimized. The buffering performance of the three leg structures is compared with the comprehensive performance of different structures in each best state. This study offers a quantitative analysis and comparison for different legs of bionic locust jumping robot based on landing buffering performance. Furthermore, a theoretical basis for future research and engineering applications is established.     

仿袋鼠单腿跳跃机器人动力学建模与仿真

根据自然界中袋鼠的骨骼结构设计了仿袋鼠单腿跳跃机器人的机构模型．其机构设计充分利用产生被动动力学的机械结构来减少运动中的能耗．仿袋鼠单腿跳跃机器人由关节腿、身体和尾巴三部分组成,其中关节腿由两连杆、旋转副及扭簧连接而成．采用拉格朗日方法建立支撑相和飞行相的动力学模型,并用MATLAB7．0对动力学模型进行了数值仿真,仿真结果验证了动力学模型的正确性,为后续的机器人结构优化设计和运动控制奠定了理论基础．     

新型缆索机器人爬升机构力学分析及试验

提出了一种锥面自锁夹紧机构,建立了夹爪夹紧力、弹簧预紧力等力学分析模型,研制了机器人实验样机并进行了试验。结果表明,该机构能满足机器人爬升的要求,能源消耗小,夹紧力可靠,且具有自适应的优点。     

液压驱动四足仿生机器人的结构设计和步态规划

论文主要介绍了山东大学机器人研究中心研发的液压驱动四足仿生机器人。目的是设计能够适应复杂地形环境,具有高动态、高负载能力的液压驱动四足机器人。基于骡／马的生物仿生,构造了具有被动结构、基于液压驱动的四足机器人腿关节结构,满足了机器人稳定控制和高负载能力的需要。基于四足机器人的运动学和逆运动学模型,规划了机器人稳定的对角小跑动步态。实际液压驱动四足机器人平台的实验验证表明了机器人结构设计的合理性和步态规划的有效性。     

基于虚拟运动神经网络的六足机器人行为控制

为了使腿足机器人适应性和行为能力提高,提出基于虚拟运动神经网络的六足机器人行为控制策略. 通过模拟生物神经?肌肉控制机制构建的腿足机器人行为运动神经控制架构,能够处理外部环境信息,调节神经信号强度,获得类似动物的信号处理和行为反应机制,实现机器人对环境的快速响应、机身与腿部的自适应调节. 实验结果表明,所提架构能够随环境变化自动调节神经信号强度,验证了机器人极强的环境自适应性和行为多样性.     

伸长型气动柔性驱动器设计与实验

设计了一种以压缩气体为动力源的伸长型"刚-柔耦合"气动柔性驱动器,驱动器采用内外嵌套结构,内部为弹性气囊,外部为约束弹簧,能有效提高驱动器刚度.为研究不同刚度的约束弹簧对气动柔性驱动器静力学性能的影响,采用实验方法研究了不同弹簧丝直径的驱动器轴向伸长变形、驱动力与工作气压的关系.实验结果表明:驱动器伸长量随工作气压的增...     

基于虚拟模型和加速度规划的腿部缓冲策略

提出一种基于虚拟模型控制和加速度规划的腿部缓冲方法。通过建立机器人腿部的虚拟模型,设定落地过程中躯干加速度从而可减小地面对机器人的冲击力,保护机器人的机械结构。该方法将机器人的落地过程分为下落、缓冲、恢复3个阶段。在下落阶段,通过在足端与期望位置之间添加虚拟“弹簧—阻尼”系统来控制足端位置。在缓冲阶段和恢复阶段,通过规划躯干质心加速度,从而减小落地过程中躯干受到的冲击。该方法可避免在激烈的足地交互过程中调节系统的刚度和阻尼,控制过程更简单精确。基于Webots的仿真试验表明,该方法在机器人落地过程中的保护是有效的。     

可调刚度弹性机器人关节研究与设计

为了实现腿式奔跑、跳跃机器人在高速运动中的变速无源运动和提高机器人运动能效性,提出了一种可调刚度弹性被动机器人旋转式关节设计方案.关节采用平面非接触涡卷弹簧作为弹性元件,由小功率伺服电机驱动支撑杆调节平面非接触涡卷弹簧的有效工作长度,最终实现改变关节的旋转刚度.对平面非接触涡卷弹簧进行了有限元弹性大变形仿真分析,并制造出实验样机.试验表明:所设计的可调刚度弹性被动机器人关节性能良好.     

滚柱式超越离合器的接合能耗

分析了滚柱式超越离合器在接合过程中能量消耗的实质,建立了接合能耗的数学模型,导出接合能耗和接合扭转刚度的计算式,并在此基础上给出阻尼比容和损失因子的计算式。分析了接合能耗与接合扭转刚度、损失因子、超越离合器三构件的法向刚度、楔角、外力、滚动摩擦系数等因素的关系,同时给出降低接合能耗的措施。对某脉动无级变速器的超越离合器进行了接合能耗试验,试验结果与计算结果相吻合。     

滚柱式超越离合器的接合能耗

分析了滚柱式超越离合器在接合过程中能量消耗的实质,建立了接合能耗的数学模型,导出接合能耗和接合扭转刚度的计算式,并在此基础上给出阻尼比容和损失因子的计算式。分析了接合能耗与接合扭转刚度、损失因子、超越离合器三构件的法向刚度、楔角、外力、滚动摩擦系数等因素的关系,同时给出降低接合能耗的措施。对某脉动无级变速器的超越离合器进行了接合能耗试验,试验结果与计算结果相吻合。     

储能式平稳换向采油系统悬点载荷与效率建模

为解决油田抽油系统开采原油效率低、能耗大等问题,以抽油机系统为研究对象,建立抽油机动力学模型与效率模型,并利用该数学模型计算出该抽油机悬点载荷示功图与效率,进而提出一种新的动力系统传动方案,即利用弹簧组存储抽油系统减速换向惯性能量,抽油系统换向后加速起动时能量释放.结果显示:加入弹簧储能装置的电动机减小了电机工作状态转换之间的冲击,大幅节省系统能量消耗.本设计的抽油系统弹簧储能装置能够显著减小电机扭矩波动,缩短启动时间,减小电机发热,延长电机寿命.对比传统往复式抽油机有明显的改善,节能率达到10.46%.     

仿生越沙杖结构设计及性能数值分析

基于鸵鸟足结构形貌及越沙机制,以鸵鸟足为生物原型,通过对杖托进行仿生设计,研制了一种仿生越沙杖。该仿生杖托能够根据仿生杖的垂直荷载和沙土的软硬程度自动改变结构以及杖托/沙土接触面积。采用离散元软件PFC2D,对仿生越沙杖入沙过程中触沙初始状态、承载中间状态和极限承载状态进行了数值模拟,并与普通越沙杖杖托下接触力场、速度场、沉陷量和承载力的模拟结果进行了对比,结果表明仿生越沙杖具有优越的固沙限流、抗沉陷和高承载性能。     

Motion design of a hybrid wheeled/legged robot for lunar exploration

The robot consists of a quadruped mechanism and two active dual-wheel casters possesses the advantages of wheeled and legged mechanism, and can quickly move on the relatively plane ground with the wheeled mechanism, and can walk on the extremely uneven terrain with the legged mechanism. The effectiveness of the motion design of the hybrid robot is iHustrated by simulation results.     

一种仿骆驼足的设计与仿真分析

设计了一种基于仿生学的仿骆驼机械足,可应用于四足步行机器人。首先介绍了四足机器人的总体设计方案;然后根据骆驼足在沙地、软土地行走的功能特点,设计出仿骆驼足运动机构,并对机构进行了运动学分析;运用Solidworks对仿生机构进行建模,并通过Adams和Solidworks对建立的模型进行动力学与静力学仿真。仿真结果表明,仿生机械足可以很好地模拟骆驼足的功能并保证结构安全可靠。     

气动柔性关节六足机器人腿关节提升机构设计与仿真

针对气动柔性关机六足机器人腿部关节提升高度小,越障能力差的问题,设计了一种基于平行四杆机构的腿关节提升机构。搭建了运动学实验平台,并对样机进行运动学实验研究。实验结果表明：该提升机构能够有效的将腿部关节提升高度增加19mm,使机器人越障能力扩大为原来的1.63倍,为气动柔性关节六足机器人的研究奠定了基础。     

电动汽车用永磁游标电机的设计与研究

提出具有低速大转矩特性的电动汽车用转子双边永磁型游标电机,结构上采用双定子、中间转子形式.内、外定子设计有能够完成磁通调制作用的调磁齿,转子磁极直接面向两侧气隙,实现了磁场内、外侧的双重调制,增强了电机转矩的输出能力.阐述了该电机的工作原理、说明了设计方法,给出电机设计参数及结构、装配示意图,以转矩的最大输出为目标,对内、外定子调磁齿周向宽度、径向高度及极弧系数等对电机性能有较大影响的结构参数进行优化研究,建立该电机的二维有限元模型,对该电机的电磁性能进行仿真分析,计算结果验证了理论分析的正确性.     

考虑膝关节转动刚度的二段腿行走步态分析

为研究腿部构造对双足倒立摆行走步态的影响,提出了一种含膝关节的二段腿倒立摆模型,确定了腿部受到的反力和腿长的关系,建立了模型运动控制方程和仿真模型,采用庞加莱映射和牛顿迭代法求得了模型周期性行走步态结果,分析了机械能、冲击角、膝关节初始角度、膝关节转动刚度等模型参数对行走步态的影响.分析结果表明:含膝关节的二段腿初始刚度较大,随着变形的增大刚度逐渐减小,表明二段腿存在受力柔化特性;二段腿模型能够在一定参数范围内实现多种周期性步态,给定合适的参数组合,模型能够覆盖人体正常行走的频率区间.对比线弹簧模型,本文模型构造更接近于真实人体,模型参数物理意义明确,为模型的实验验证和参数标定打下了基础.     

基于区域分工机制的异构群体机器人觅食任务数学分析

根据机器人的能力进行区域分工,以提高群体机器人系统的觅食效率。为了系统研究异构群体机器人执行觅食任务时的群体行为,以比率方程为基础,构建了觅食任务的数学模型。并利用该模型,定量分析了机器人的数量及性能对觅食任务完成时间的影响。通过对数学模型的分析得出:外部机器人数增加时,外部机器人之间的干涉作用将减少觅食任务完成时间的改进;随着内部机器人与食物相遇率的提高,觅食任务完成时间的改进不断降低。     

多运动态可重构轮履复合式机器人机械设计

针对复杂的室外地形特征,结合轮式、履带式移动机构的运动优点,提出并研制一种可重构的具有多种运动模式的轮-履复合机器人.该机器人由控制单元、两个相同的可重构车轮、翻转机构和车体组成,具有轮式、履带式、翻转式3种运动模式.轮式工作形态,机器人为两轮机器人,运行速度快,可全方位运动;履带工作状态,机器人可以适应砾石地、沙地、草地等多种复杂地形,具备较强的越障能力;翻转工作状态,履带轮整体翻转,可跨越栏杆等垂直障碍.机器人轮-履转换由车轮内部的并联四连杆机构实现,可根据地面特征选择运行模式,根据障碍类型选择越障方式.在建立运动学和力学模型的基础上,结合数字仿真方法对结构进行了参数化研究,此设计方法优化了转换机构的运动轨迹,降低了对驱动电动机的性能要求,提高了电动机的使用效率.试验表明,机器人可通过调整自身机构以合理的运动模式通过沙地、草地等路面环境,攀越阶梯和栏杆等复杂障碍,具有良好的环境适应性和越障性能,验证了该移动平台系统设计的合理性.