一种新型压电薄膜驱动器微机器人的结构及力分析

本文研究了一种细小管道内移动微机器人.它采用PZT双压电薄膜驱动器,利用惯性冲击原理产生运动,可以搭载CCD摄象机或其它检测装置进入Φ20mm的工业管道内部实施作业.文中描述了此种微机器人的结构,对其运动进行了力分析.以此理论为基础制作了微机器人实验样机,其最大运动速度可达18mm/S.     

无线微小型机器人及其驱动控制

研制了一种面向微操作的微小型机器人,并开发了其无缆化控制系统。该机器人机械本体由基于宏／微复合驱动的移动定位平台和3自由度球基微操作器构成。机器人总体尺寸不超过90 mm×70 mm×60 mm。机器人的宏动部分采用轮式驱动,选用轴直径为3 mm的微型电动机,运动速度可达100 mm／s,定位精度0．5 mm,运动分辨率0．1mm。微动部分基于尺蠖蠕动原理通过压电陶瓷和电磁体配合,速度可达200μm／s,定位精度50μm,运动分辨率2 μm。球基微操作器基于黏滑原理利用3根四分压电陶瓷管驱动,可实现旋转和俯仰运动,运动分辨率可达0．001。。所有驱动电路均集成到机器人本体内,采用锂聚合物电池供电,通过蓝牙模块和上位机的图像处理系统通信。嵌入式控制软件将机器人的运动全部分解为简单运动,控制算法采用多线程方式,保证了驱动控制的实时性,并且具有很强的抗干扰能力。     

肠道微机器人柔性运动系统

提出一种适用于肠道微机器人的柔性运动系统来提高肠道机器人微创诊断的主动运动能力.柔性运动系统采用尺蠖型运动方式,由柔性运动机构和柔性驱动机构组成.柔性运动机构包括径向气囊软足和轴向伸缩推杆,并用万向节连接微机器人前后腔体从而提高运动柔性;柔性驱动机构利用尼龙线绳牵引波纹管泵驱动气囊软足和伸缩推杆激励微机器人伸缩.微机器人样机直径为12.2 mm,长度为78 mm,质量为14.8g,最大径向钳位外径为20.2 mm,最大轴向行程为16.4 mm.实验结果表明,柔性驱动机构可以为波纹管泵和伸缩推杆分别提供最大为0.67N和0.65 N的驱动力;微机器人样机能够在不同倾斜角度的刚性有机玻璃管中运动,在水平和竖直管道中的平均运行速度为0.38 mm/s和0.25 mm/s;能通过最小曲率半径为49.3 mm的塑料软管,在离体肠道中也能实现有效运动.本柔性运动系统为肠道微机器人提供了一种安全有效的自主运动方案.     

蠕动式气动软体管道机器人设计与实验

仿照蠕虫运动机理,利用自主研发的径向膨胀和轴向伸缩软体驱动器,研制了一种蠕动式气动软体管道机器人。研究了两种驱动器的结构设计和工艺流程;并进行了静力学实验,获得了驱动器静力学特性;依据轴向伸缩软体驱动器的形变原理,建立了机器人的运动学模型,获得了在不同气压、频率和负载情况下机器人的运动性能。结果表明,管道机器人具有较好的灵活性和适应性,可在一定直径范围的管道内自由爬行,爬行最大运动速度可达4.64 mm/s,负载能力为1000 g。     

介电型EAP卷绕式驱动器的实现与应用

基于介电型EAP(electroactive polymer,电活性聚合物)的优点,以VHB4910作为驱动材料,设计、实现了卷绕式二自由度驱动器,它可产生轴向伸缩和弯曲运动。对驱动器的性能进行测试,其最大轴向位移为6.78 mm,最大轴向推拉力分别为9.56 N、9.81 N;最大弯曲角度达87°,最大侧向力为1.04 N。在驱动器两端安装两对单向轮,实现了一个可爬行运动的机器人,该机器人可通过驱动器的伸缩和弯曲向前运动,其伸缩运动速度为1.55 mm/s,弯曲运动速度可达6.41 mm/s。试验证明介电型EAP可以用于实现微小型爬行机器人。     

水下壁面吸附及移动式机器人传动系统的研制

机器人传动系统是水下壁面移动及吸附式机器人的关键部件,对机器人移动和吸附等功能的实现起着重要的作用.根据机器人的工作要求及作业环境,分析了前驱动和后驱动的特点,确定了驱动方式为后轮驱动;建立了链传动机构的优化设计数学模型,运用优化方法确定了链传动的相关参数;设计了磁吸附机构和驱动装置等,解决了链传动中的张紧、导向和密封等问题.通过实验,验证了该机器人传动系统可在水深20m以浅的作业环境下工作,负重能力可达30kg,运动速度可达8m/min,可越过20mm的凸起障碍物,达到了机器人设计的要求.     

多节式螺旋双驱动可变径管道机器人设计及其运动分析

为了提高驱动能力和管道通过性,增大变径范围,创新性地设计了一种基于螺旋驱动原理的多节式螺旋双驱动可变径管道机器人结构,以方便实现直径为250～300 mm的管道的探查功能。该机器人由2个螺旋驱动单元和1个中间支撑单元构成,通过刚柔混合变径机构来适应具有50 mm直径变化的管道。在机械系统详细设计及驱动电机初步选型的基础上,着重分析了机器人通过垂直管道的动力学问题,并通过建立虚拟样机模型,对理论分析结果及电机驱动力矩进行了验证。结果表明,该机器人具有优良的管道通过性,为同类型管道机器人的研发提供了技术支持。     

微小型螺旋驱动管道机器人建模与分析

介绍了基于管道内径为15mm的螺旋驱动管道检测机器人的组成及工作原理，分析了其运动力学性能及在弯管内的几何约束条件。应用机械系统动力学仿真软件ADAMS，建立管道机器人的虚拟样机。通过计算机仿真得到机器人牵引力与驱动轮位置参数和尺寸参数之间的关系数据，证明了理论分析的正确性，同时为研制微小型螺旋式管道机器人提供设计依据。     

细小管道内爬行的微机器人

基于现代精密加工技术制造的微机械,有着广阔的应用前景。特别是直径Φ10～20mm(1英寸)的细小管道,要求研制新型微机器人用于无损检查管壁和维修。考虑到电磁驱动器,具有结构简单、单位行程长、动作灵敏、控制方便等优点,研制了一种电磁式微机器人,外形尺寸Φ15×30mm,自重25g,它可以在Φ20mm金属管内爬行,移动速度6～8mm/s,有垂直爬坡能力。所加电压16～20V,频率30～70Hz.     

螺旋轮驱动的细小管内移动机器人研究

螺旋轮驱动的管内机器人是一种适合小口径管内移动作业的微小机器人形式。它由动力内置式螺旋运动机构和CCD摄像头/监视装置组成。本文分析了这种移动机构的运动和力学性能。经过对原理样机的试验测试,得到移动性能的实验数据,为开发适应φ20mm管径的螺旋运动机构提供设计依据。     

用形状记忆合金驱动的一种新型蛇形机器人

利用形状记忆合金弹簧和普通钢丝弹簧联接作为动力驱动元件设计制作的一种蛇形机器人，其动作靠电流的通、断来控制。每节均可加热、冷却，使蛇形机器人做前后、左右、转弯运动及绕攀上、下爬行。其制造成本低，能在恶劣环境中工作，特别是在水下工作，可用于在灾害事故中寻找人或物，在细长管道中查找故障，也可用在开发儿童智力玩具中。     

立筒仓悬挂式清洁机器人的建模与转动控制仿真

针对立筒仓清理困难的实际情况,设计了一种悬挂式清洁机器人系统。由于该系统在粮仓内要连续进行转动清扫,故需要研究一种快速准确的控制方案。首先,对机器人的物理模型进行简化,并采用MSC公司ADAMS软件建立了立筒仓清洁机器人的虚拟样机。其次,通过ADAMS/Controls模块与MATLAB接口,并利用MATLAB/Simulink对机器人的虚拟样机进行转动控制进行仿真。最终,得到了机械臂和悬吊臂旋转的角位移和角速度控制曲线并进行了探讨。     

基于磁隙式吸附机构的槽车清洗机器人

给出了一种基于磁隙式吸附机构的槽车清洗机器人机构设计方案,采用磁隙式吸附装置平衡清洗作业过程中高压水枪反向冲击力产生的倾覆扭矩,提高系统稳定性裕度。建立数学模型描述清洗作业力学行为,利用有限元仿真优化磁吸附模块设计参数,计算不同气隙高度下单个磁吸附装置产生的吸附力。根据仿真结果,当采用2块40 mm×40 mm×15 mm与2块80 mm×40 mm×15 mm的永磁铁,磁铁间隙为10 mm,轭铁厚度为9 mm,气隙高度为10 mm时,单个磁吸附装置能够产生693 N的吸附力,槽车清洗机器人能够在20 MPa的清洗水压下稳定地工作。     

四足机器人Trot步态的偏航运动控制

为解决四足机器人Trot步态的偏航运动控制问题,借鉴两轮差速驱动的原理将机身的运动分解为两着地腿的运动,再基于弹簧倒立摆模型对单个着地腿的前进速度和侧移速度进行控制,最后通过控制两着地腿的运动来控制机器人整体的运动,从而实现对机器人偏航角的控制.基于这种思想,可以对偏航角、前进速度和侧移速度的控制进行统一设计,简化了基于三维模型的四足机器人运动控制的难度.在虚拟样机中进行仿真实验,发现控制方法在前进速度为零和非零时都能对偏航角进行很好的控制.     

中枢模式发生器与足端轨迹的非线性映射

控制的仿生性和行走的稳定性是四足机器人步态研究中重要的两个方面。 为了提高四足机器人运动的稳定性,本文通 过 Hopf 振荡器搭建了 CPG 模型,分别实现了多种步态及步态之间的转换。 比较了基于 CPG 的步态控制方法和轨迹规划的步 态规划方法在行走上的优劣性。 为了同时利用 CPG 控制和轨迹规划的优点,提出采用神经网络将 CPG 控制曲线与足端轨迹 逆运动学获得的驱动曲线进行非线性映射,使得四足机器人在控制上具备仿生特性,在足端接触上具备零冲击特性。 仿真和实 验结果表明,采用 CPG 的步态生成方法和轨迹规划方法四足机器人的行走速度理论行走速度 80 mm/ s 相近,但采用 CPG 的步 态生成方法四足机器人侧向位移在±10 mm 以内且俯仰角在±1. 5°之间,而采用轨迹规划的控制方法四足机器人侧向位移在 ±35 mm 以内且俯仰角在±4°之间,可见两种控制方式对侧向偏移和俯仰运动的表现不一致。 通过实验测量可知,机器人采用 walk 步态行走速度为 18. 57 mm/ s,与理论行走速度 20 mm/ s 接近,步态转换后以 trot 步态行走,行走速度为 76. 15 mm/ s,与理 论行走速度 80 mm/ s 接近,少许误差可能是装配和行走过程打滑导致的。 测量其侧向偏移程度可知,其侧向的偏移量左侧在 15 mm 内,右侧在 25 mm 内,其侧向偏移量均在合适的范围内,证明所提算法的有效性。     

液压技术在缆索机器人中的应用

研制高速度、大负荷的爬缆机构，是实现斜拉桥缆索维护作业机器人化的关键，对于桥梁安全、美观具有重要意义。针对不同的工况，研制了液压调节装置的缆索机器人方便施工中的装卸、保障施工对缆索不同直径的要求。经过在上海徐浦大桥、南浦大桥上进行了现场试验，结果表明使用具有液压技术的缆索机器人在斜拉索桥上实现安全高效的爬升作业。     

高速运动机器人动力学分析与研究

当机器人运行于高速条件下时,整个系统将处于一种不稳定的状态。对高速运动条件下的机器人动力学进行了深入的研究。首先,对研制的6自由度搬运机器人平台硬件结构进行了介绍。在此基础上,对高速运动的机器人的动力学表达式式进行了分析,得到了造成机器人高速运动动力学效应的状态参量—机器人的关节角θ、关节角速度θ觶与关节角加速度θ咬,结合机器人样机的PID主控制器,定性探索了机器人的动力学参量与PID控制器参量间的关系规律,为后续的控制器设计提供依据。     

冗余度机器人附加速度避障方法

应用空间解析法建立机器人关节点坐标的数学模型,直接计算出机器人与障碍物的位置关系。提出一种新颖的附加速度方法,当连杆离障碍物的距离小于阈值距离L0时,把机器人与障碍物的距离．映射为对机器人每个连杆与障碍物最近点增加的附加速度。以附加速度的范数作为性能指标．利用冗余度机器人的零空间映射矩阵调整机器人位姿,从而改变机器人与障碍物之间的距离．最终形成一条无碰撞轨迹。通过具有16个自由度的空间三分支机器人的仿真实验,验证此方法的正确性,具有很强的实用性。     

机器人在垂直输气管道中的运行速度

管道机器人在进入垂直输气管道向下运行时,由于机器人自重会使设备加速运行。为了探究垂直输气管道中机器人的运行速度规律,首先利用牵拉试验验证了机器人在一定运行速度范围内其运行阻力基本保持不变;然后根据动量守恒定律建立了机器人在垂直管道向下运行时的受力状态方程。由于机器人自重影响,机器人将做加速度减小的加速运动,分析了由于加速运动导致的机器人速度增量与压强增量间的关系,当压强增量与机器人自重再次达到受力平衡时,机器人速度达到最大值。确定了机器人最大运行速度的计算方法,可在机器人通过垂直输气管道时提前预测机器人的最大运行速度。通过与数值模拟结果和工业现场实际运行速度进行对比,验证了计算方法的可靠性。     

中央空调垂直风管清洁机器人机构设计

针对目前国内外中央空调通风管道清洁机器人的研究现状,提出了一种垂直通风管道清洁机器人的设计思路。该机器人主要由支撑机构、清洁机构组成。支撑机构采用了伞状支架,能够适用于矩形或圆形管道;清洁机构采用了钢丝绳驱动的柔性机械臂。并对机器人的伞状支架和柔性机械臂的机构和工作原理进行了详细说明。通过对样机的实验测试,验证了该结构的合理性和实用性。