一种3自由度并联拟人机械腿的动力学建模及伺服电机峰值力矩预估

为了弥补当前拟人机器人结构的不足之处和改善拟人机械腿的通用性和适应性,对一种3自由度并联拟人机械腿的动力学性能进行了研究。基于该机械腿的结构布局特点,推导出其运动学反解方程,研究了各输入速度的变化规律,利用拉格朗日方法建立该机械腿的动力学模型。在该模型的基础上建立伺服电机的预估模型,主要包括对伺服电机转速的预估和对电机转矩的预估,分析了机械腿伺服电机驱动的角速度、驱动力矩的变化规律,得到了机械腿的动力学特性,并对机械腿伺服电机峰值力矩预估模型进行了验证,得到最大预估峰值力矩值为3.195 N·m. 分析结果表明,该机械腿机构的驱动角速度和驱动力矩呈周期性变化。伺服电机峰值力矩预估模型为机械腿伺服电机的选型提供了理论参考依据。     

军用轮、腿混合四足机器人设计

为设计一种可以在迈步行走、有动力轮式机动、无动力轮旱冰式滑行3种运动方式之间灵活转换的轮、腿混合四足机器人,提出一种采用3-PUPS机构的超冗余、可变胞并联机械腿,其构型可以通过伺服电机的抱闸锁定实现变胞变换,从而使机械腿能根据任务需求实时改变自身构型和性能。在建立机械腿3-PUPS机构的运动学和静力学模型基础上,通过定义运动学和静力学性能评价指标,分析了机械腿尺寸参数对其各性能评价指标的影响规律,从而确定机械腿一组使机械腿运动学和静力学性能较为均衡的结构参数,并研制出机械腿的实验样机。建立轮、腿混合四足机器人整机的通用运动学模型,定义机器人整机的性能评价指标,分析机器人整机尺寸参数对其各性能评价指标的影响规律,并确定整机尺寸参数值,在此基础上完成了轮、腿混合四足机器人整机的设计方案。通过一套专用机器人标定系统对机械腿的实验样机进行位姿测量实验。研究结果表明：机械腿运动平台的实际运动沿x轴方向最大偏差为0.041 mm,沿y轴方向最大偏差为0.040 mm,沿 z轴方向最大偏差为0.040 mm;绕z轴姿态角最大偏差为0.041°,绕y轴姿态角最大偏差为0.043°,绕x轴姿态角最大偏差为0.045°;机械腿实验样机达到了通用式工业机器人的精度水平。     

用于四足机器人的并联弹性腿足关节设计与优化

为了提升四足机器人腿足的运动性能，设计一种具有并联弹性驱动器(Parallel Elastic Actuator, PEA)的腿足关节，通过模仿四足动物的肌腱作用原理，将拉簧并联在小腿连杆和大腿连杆之间，在膝关节处实现了并联弹性驱动，具有尺寸小、质量和惯量低的特点。建立了PEA膝关节的动力学模型，并借助该模型，在预设跟踪任务轨迹下，综合考虑峰值力矩、峰值功率和能量利用率，对拉簧的刚度系数进行多目标优化，得到全局最优的拉簧刚度为5 510 N/m。为了对比本PEA关节与电机直驱关节的性能，从仿真和实验两个方面进行验证。利用Gazebo机器人仿真环境，使用带有刚度的滑动副来实现PEA拉簧的效果，通过物理引擎模拟获取关节电机的输出力矩、输出功率、机械能耗；搭建PEA膝关节实验平台开展样机实验，获取膝关节电机的电源输入参数，如输入电流、输入功率、电源能耗。实验结果表明：PEA对比电机直驱关节，在0.5～2.0 s的轨迹周期下，电机输出方面可以减少峰值力矩40%～79%、峰值功率52%～89%和机械能损耗40%～89%,电机输入方面可以减少峰值电流46%～77%、峰值电功率43%～76%和电能损...     

六足机器人轮腿结构设计与仿真分析

针对移动机器人在复杂地形环境适应能力弱的问题,设计一种新型六足轮腿复合式机器人.对机器人的基本结构及轮腿结构进行设计,阐明轮-腿模式转换机理,简述腿式三足步态及轮式步态规划,利用ADAMS软件对机器人进行动态仿真,并对轮腿结构进行有限元分析.仿真结果表明:六足机器人轮腿结构满足设计要求,能通过转换轮腿结构使机器人以腿式或轮式模式移动,兼具腿式、轮式2种机器人的优点.     

一种轮腿复合型机器人的步态研究与越障性能分析

为实现地面移动机器人在复杂地形下的环境探索需求,结合轮式机器人的高速特性和足式机器人对地形适应性强的特征,提出一种轮幅型轮腿复合型机器人,并针对其在移动过程中的振动问题以及爬梯过程中的越障问题,对机器人进行步态研究及性能分析。从静力学分析中得出机器人轮腿结构以不同姿态着地时的受力情况,结合实际情况中机器人运动约束对机器人在前进、转向和越障等任务中的步态进行分析,并基于动力学仿真ADAMS软件建立动力学模型来模拟机器人不同步态下的振动情况以及越障性能。研究结果表明,结合本文提出的步态控制方法,该轮腿复合型机器人在复杂地形环境中具有较好的行进效率和越障能力。     

变电站巡检机器人结构设计与分析

针对机器代替人在变电站巡检的发展需求,设计一款带云台升降功能的巡检机器人,代替人工对变电站 进行日常巡检。介绍机械结构设计、控制系统搭建,建立机器人运动学和动力学模型,运用Matlab 进行稳定性仿真 分析,将实验得到的各行走电机驱动力矩与仿真得到的各行走电机驱动力矩进行对比。结果表明：该设计模型正确、 样机稳定,可为巡检机器人在执行巡检任务过程中在不同行驶坡度下控制升降杆高度和行驶加速度提供理论依据。     

新型四足并联军用机器人步态控制算法及仿真

在多关节步行机器人控制策略中，全部采用中央模式(CPG)网络进行控制的方法具有参数繁多、网络结构复杂的特点；机器人的工作环境通常多变且复杂，对机器人的灵活性和抗干扰能力提出了更高的要求，故仅采用单一的控制模式很难满足上述需求。针对上述问题，在机器人控制上把基于CPG的控制方法和基于虚拟模型的控制方法进行综合，对单腿为3-UPS机构的四足并联军用机器人设计了一种新型步态控制算法，用CPG完成机器人的基础步态，完成输入输出之间的非线性振荡器网络模型的搭建，并将模型的输出与关节电机的驱动力矩构成映射关系；再用虚拟模型生成行走时保持机器人平稳姿态所需要的足端虚拟力，并将足端虚拟力映射为关节驱动力矩。通过V-REP与MATLAB软件对该步态控制算法进行联合仿真实验。仿真结果表明：所提出的步态控制算法有效；新算法的优势在于简化控制网络的同时还能保证机器人在行走过程中拥有较强的灵活性和抗干扰能力，这种新型控制模式为四足并联军用机器人的步态控制提供了新的思路与方法。     

钟表机构延迟解除保险时间仿真

针对如何调整钟表机构结构参数适应不同延迟解除保险时间的问题,设计一种双滑块驱动无返回力矩钟表机构,探讨擒纵轮结构对延迟解除保险时间的关系;建立三维模型,通过动力学仿真方法,得出擒纵轮直径对延迟解除保险时间的影响;结果表明：钟表机构中,擒纵轮直径的变化对延迟解除保险时间的影响比较大.     

基于机构刚度的六杆虚拟轴并联机床几何结构优化

提高虚拟轴并联机床的机构刚度是改善加工精度进而对机床进行精确控制的关键素。针对虚拟轴并联机床的机构几何参数的优化问题,建立了以刚度为基础的机床加工过程中构刚度分析模型。这种模型考虑了加工过程中几何和载荷变化对机床整体刚度的影响,它可以入机床的瞬时弹性特性。利用这种模型对不同几何参数的虚拟轴并联机床机构进行加工模拟,算一系列加工路径中其刀具偏移,从而可以优化出具有最小刀具偏移量,亦即刀具端具有最大刚时的机构几何参数,进而改善机床的加工精度。研究结果对于六杆虚拟轴并联机床的机构设计参数确定提供了简洁有效的方法。     

由2自由度并联髋关节构成的脊柱式四足步行机器人步态规划和稳定性分析

针对四足机器人研究中的承载能力低、行走平稳性差问题,设计了一种由2自由度并联髋关节构成的脊柱式四足步行机器人。采用解析几何法和坐标变换法对机器人站立腿和摆动腿进行运动学建模,根据足端位置逆解求得了髋关节变量,进而提出一种无膝关节四足机器人的直行步态、定点转向步态和爬楼梯步态规划方法。基于运动学模型和步态规划方法,通过数值仿真分别得到步态周期内瞬时稳定裕度数据和重心高度变化数据,结果表明四足机器人有较好的稳定性。机器人步态试验验证了该步态规划方法的合理性和有效性。     

轮式装甲车辆电驱动轮机电耦合动力学建模与振动特性

为获取轮式装甲车辆电驱动轮机电动力学特性,提出考虑轮毂电机和行星齿轮机构耦合影响的动力学建模与分析方法。基于轮毂电机空间电磁力模型,计算得到电机径向力、切向力和转矩脉动,作为电驱动轮机械系统动态激励;建立考虑柔性壳体的行星齿轮机构动力学模型,实现了轮毂电机及行星齿轮机构机电耦合动力学仿真。结果表明：轮式装甲车辆电驱动轮低阶模态主要是全局模态,高阶模态主要是行星传动系统的局部模态;对于系统振动响应,在低转速区电磁激励的高阶次占主因,而在高转速区低阶次激励占主因。     

双侧电驱动装甲车辆直驶转矩补偿控制

为解决双侧电机驱动电传动装甲车辆直线行驶时的偏驶问题,提出了基于双侧电机转速差的转矩补偿控制。补偿控制是在保证总的转矩需求不变的情况下,实时检测双侧电机转速,在减小高速侧电机转矩的同时增大低速侧电机转矩克服车辆直线行驶的偏驶。设计了双输入双输出的模糊控制器,实时调整PI控制参数,减小车辆动力系统非线性因素影响。仿真和实车台架及道路试验结果表明：转矩补偿模糊PI控制能实时调整双侧电机转矩输出,保持双侧电机转速相同,实现车辆直线行驶稳定性能。     

Modeling and Performance Prediction of Induction Motor Drive System for Electric Drive Tracked Vehicles

The principle of rotor flux-orientation vector control on 100/150 kW three-phase AC induction motor for electric drive tracked vehicles is analyzed, and the mathematic model is deduced. The drive system of induction motor is modeled and simulated by Matlab/Simulink. The characteristics of motor and drive system are analyzed and evaluated by practical bench test. The simulation and bench test results show that the model is valid, and the driving control system has constant torque under rated speed, constant torque above rated speed, widely variable speed range and better dynamic characteris- tics. In order to evaluate the practical applications of high power induction motor driving system in electric drive tracked vehicles, a collaborative simulation based on interface technology of Matlab/Simulink and multi-body dynamic analysis software known as RecurDyn is done, the vehicle performances are predicted in the acceleration time （0 - 32 km/h） and turning characteristic （v = 10 km/h, R = B）.     

电传动履带车辆感应电机驱动系统建模与性能预测

详细分析了某电传动履带车辆用100/150 kW三相交流感应电机转子磁场定向矢量控制原理,推导了数学模型并在此基础上利用Matlab/Simulink对感应电机驱动系统进行了建模与仿真分析。通过感应电机驱动系统实际台架试验对整个电机以及驱动系统的特性进行了详细的分析和评价。仿真与台架试验结果表明,所建立的模型正确,整个驱动控制系统具有额定转速之下恒转矩、额定转速之上恒功率、较宽的调速范围、良好的动态特性等特点。为了进一步评价此大功率感应电机驱动系统在电传动履带车辆上的实际应用,运用基于Matlab/Simulink种多体动力学分析软件RecurDyn的接口技术进行协同仿真研究,以0～32 km/h的加速性能和车速v=10 km／h、转向半径R=B的转向性能为例,对整车性能进行了预测。     

基于转矩控制策略的电传动履带车辆驱动特性研究

从原理上探讨了通过直接控制左右侧电机的输出转矩大小来控制某电传动履带车辆整车运动的可行性,提出了转矩控制策略,建立了基于多体动力学软件RecurDyn／Track-HM的履带车辆整车行动部分三维多体动力学虚拟样机模型和基于控制系统分析软件Matlab/Simulink的综合控制器及电机控制系统模型,同时基于上述不同软件的接口技术建立了机械系统和控制系统协同仿真模型,对0～32 km/h的加速时间、不同车速下的100 m直驶偏移量、B/2转向及15°爬坡性能等驱动特性进行了协同仿真及实车试验研究,通过分析和比较验证了模型及转矩控制策略的正确性,为进一步深入研究其它驱动特性奠定了基础。     

永磁电动机绕组换接的性能分析与切换电路研究

针对在装甲车辆中体积、功率受限条件下,永磁电动机提升低速转矩与拓宽弱磁工作范围难以兼顾的问题,可以采用电动机绕组换接的方法。使用有限元方法分析了电动机绕组分别采用串联和并联连接运行的转矩及弱磁特性,仿真结果说明,绕组采用串联连接可以倍增其输出转矩针对在装甲车辆中体积、功率受限条件下,永磁电动机提升低速转矩与拓宽弱磁工作范围难以兼顾的问题,可以采用电动机绕组换接的方法。使用有限元方法分析了电动机绕组分别采用串联和并联连接运行的转矩及弱磁特性,仿真结果说明,绕组采用串联连接可以倍增其输出转矩但转速范围缩小一半。因此,可以通过绕组切换的方式,在低速时使用串联连接方式提升转矩;而在高速时使用并联绕组扩大弱磁范围,以满足装甲车辆性能指标对传动系统的苛刻要求。进而,构建了一种基于零电流切换的绕组换接电路,实验结果表明,该电路切换过程非常迅速,而且不会产生过大的电压冲击。     

高速电驱动履带车辆联合制动转矩动态协调控制研究

针对高速电驱动履带车辆机械制动器、电机和电液缓速器3种执行部件联合制动转矩响应的问题,提出了机械制动器、电机和电液缓速器动态协调控制策略。基于制动需求和车速等因素进行稳态制动力分配,综合考虑3种执行部件动态响应特性,建立基于电机-电液缓速器二者联合制动和机械-电机-电液缓速器三者联合制动转矩动态协调控制策略,搭建面向工程应用的电驱动履带车辆传动系统仿真模型,利用实时仿真工具进行策略验证。仿真结果表明,在整个制动过程中该动态协调控制策略可提高车辆总制动转矩响应速度和精度,改善系统动态响应特性。