单腿跳跃机器人支撑相的动力学与控制

提出一种新型关节腿仿生欠驱动单腿跳跃机器人机构系统模型.该跳跃机器人模型具有仿袋鼠骨骼结构特征,其机构动力学模型可视为二阶非完整约束系统.由于切换线性控制器只能实现该模型在动态周期运动中的动态稳定,而不能实现站立平衡控制.因此采用积分反步控制方法,使机器人机构模型在支撑相能实现不稳定平衡位置的镇定控制.由于严反馈规范形存在反步控制器设计方法,因此基于动力学非线性规范形综合,将机构动力学模型转化为严反馈规范形,从而使其具有严反馈规范形特征.     

仿人型机器人腿的探讨

提出一种用气动人工肌肉驱动的仿人型机器人腿。首先描述了气动人工肌肉的结构与工作原理，人工肌肉具有变刚度特性，它的刚度可通过控制橡胶管内的气压实现，调节管内气压的大小就可改变肌肉的刚度。它的刚度大小决定肌肉的驱动力。然后提出了用气动人工肌肉驱动的机器人腿的结构形式以及机器人腿的摆动控制方式，腿的驱动力和行走运动全由工控机控制实现。     

一种绳索驱动的仿下颌机构设计与分析

针对现有的仿下颌机器人仿生性不足,提出一种绳索驱动的仿下颌机构.首先,基于人体口颌系统冗余驱动特性、肌肉单向拉力的特性以及咀嚼肌附着点位置,进行仿下颌机构设计;该仿下颌机构采用6根绳索仿人体口颌系统的三组主要咀嚼肌(咬肌、颞肌和翼外肌),采用一对点接触高副仿人体口颌系统的颞下颌关节;然后,分析机构和推导运动学方程与雅克比矩阵;接着,为研究绳索的这种单向力特性与位形之间的关系,对该机构进行了力封闭空间分析;最后,在Adams中建立仿真模型,进行下颌功能运动(开闭运动、前后运动、侧方运动)的轨迹规划,分析绳索长度变化与人体咀嚼肌伸缩的相似性.     

一种绳索驱动的仿下颌机构设计与分析

针对现有的仿下颌机器人仿生性不足,提出一种绳索驱动的仿下颌机构.首先,基于人体口颌系统冗余驱动特性、肌肉单向拉力的特性以及咀嚼肌附着点位置,进行仿下颌机构设计;该仿下颌机构采用6根绳索仿人体口颌系统的三组主要咀嚼肌(咬肌、颞肌和翼外肌),采用一对点接触高副仿人体口颌系统的颞下颌关节;然后,分析机构和推导运动学方程与雅克比矩阵;接着,为研究绳索的这种单向力特性与位形之间的关系,对该机构进行了力封闭空间分析;最后,在Adams中建立仿真模型,进行下颌功能运动(开闭运动、前后运动、侧方运动)的轨迹规划,分析绳索长度变化与人体咀嚼肌伸缩的相似性.     

基于动力学的PT1300型码垛机器人弹簧平衡机构设计

随着实际应用中负载和速度要求的不断提高,码垛机器人的动力学特性被赋予了更高的要求,而优化机器人弹簧平衡机构对于改善其动力学性能和运动中的平稳性具有重要意义.基于凯恩(Kane)方程的动力学算法,以PT1300型码垛机器人为研究对象建立码垛机器人刚体逆动力学模型.在给定机器人运动路径及运动规律前提下,基于动力学层面提出一种弹簧平衡机构设计方法.研究结果表明,采用该方法设计的弹簧平衡机构可明显降低关节驱动力矩,达到了预期效果.     

轮式移动宜人机器人可变刚度腰部机构设计

轮式移动宜人机器人是一个仿人机器人技术研究平台,它由正交轮式移动平台、腰部、双臂、躯干及头部组成。仿人机器人腰部的构成对其运动学、动力学性能起着重要的作用。分析了目前仿人机器人腰部机构存在的问题,提出了一种具有可变刚度特征的仿人机器人腰部设计方案。设计方案使仿人机器人具有良好的柔顺性,提高了机器人与人协作时的安全性、稳定性和抗干扰能力。着重分析了腰部机构的运动学、动力学以及可变刚度特性。     

欠驱动机器人动力学运动规划的动态子空间法及控制

欠驱动机器人的关节空间运动是通过主、被动关节间的动力学耦合实现的,系统运动可能发生动力学耦合奇异,使欠驱动机器人的动态操作性能严重降低。针对一般具有任意多个被动关节的开链欠驱动机器人系统,基于动力学分析提出一种优化控制方法,其核心是在欠驱动机器人的全部耦合运动空间中,根据动力学耦合操作性度量,动态构造有限个覆盖全部耦合运动空间的具有最佳耦合度的子空间,使发生在这些子空间中的耦合运动具有余度驱动的特点,从而实现提高欠驱动机器人的动力学耦合度的优化控制。提出的方法通过平面四连杆机器人进行仿真,仿真结果证明了这种方法是可行的。     

仿袋鼠柔性跳跃机器人的驱动力特性研究

依据袋鼠生物体的运动结构和跳跃运动特点，利用扭转弹簧模拟其关节柔性和肌肉的储能作用，提出仿袋鼠柔性跳跃机器人的伪刚体机构模型。应用凯恩法建立仿袋鼠跳跃机器人的动力学方程。基于MATLAB6．5，结合实例对机器人的运动和驱动力特性进行了仿真分析。分析结果表明：利用柔性机构可降低仿生跳跃机器人跳跃运动所需关节驱动力和能量消耗，同时也揭示了袋鼠跳跃运动快而耗能低的规律。     

仿蟋蟀微型机器人起跳过程驱动力特性的研究

针对蟋蟀生物体的结构和跳跃运动特点,利用扭转弹簧模拟其腿部关节柔性和肌肉的储能作用,得到了具有关节柔性的仿蟋蟀跳跃机器人的机构模型。应用拉格朗日法建立机构在着地阶段起跳过程中的动力学方程并对驱动力特性进行了仿真分析。结果分析表明:FT关节的驱动力矩大约是BF关节和TT关节的近3倍,因此FT关节的驱动力矩是完成跳跃的决定因素之一;利用柔性机构可降低跳跃运动所需关节驱动力矩和能量的消耗。     

一种基于弹簧片的可变刚度关节

随着机器人环境友好、安全可靠的发展趋势,可变刚度弹性驱动关节成为了研究热点。变刚度弹性驱动关节能够缓冲碰撞,消除机械震荡,提高机器人对人和环境的安全性。提出了一种以弹簧片为弹性元件的变刚度柔性关节,可以在一定范围内调节其刚度,并建立了关节的数学模型,推导了关节刚度计算公式,实现了刚度的调节控制。     

一种旋转型机器人柔性关节设计与分析

通过对人类膝关节柔性产生机理研究,仿照动物关节肌肉-肌腱组织设计出一种适用于电机驱动的旋转型柔性关节。通过研究对比旋转型SEA（series elastic actuator）与直线型SEA机构特点,提出一种由8个压缩弹簧协同组成的柔性输出机构,并建立柔性输出机构刚度模型,确立了弹性元件参数与柔性关节等效刚度的数学关系。在此基础上,对柔性关节整体进行紧凑化设计,电机、减速器、柔性输出机构集中安装于关节部位,使柔性关节模块化、通用性强。通过对该柔性关节软件仿真及关节样机测试,验证了关节抗冲击能力和柔性输出能力可以满足柔性关节型机器人对柔性关节的应用需求。     

基于传感器的直接驱动机器人动力学建模及控制

在关节上引入力矩传感器进行力矩反馈后,推导出了直接驱动机器人的简单的、线性化的、非时变的动力学模型。在此基础上,利用解耦控制法实现了直接驱动机器人的控制。考虑到力矩传感器的引入,可能会导致驱动系统的刚度下降,文中还对力矩传感器的频率特性及关节结构的设计进行了较深入地研究,研究结果表明,只要适当配置转子、关节轴、连杆的转动惯量,就能保证在安装传感器后,驱动系统的刚度基本不下降。     

Compliant actuation of parallel-type variable stiffness actuator based on antagonistic actuation

For a service robot requiring physical human-robot interaction, stable contact motion and collision safety are very important. To accomplish these functions, we propose a novel design for a parallel-type variable stiffness actuator (PVSA). The stiffness and position of a joint can be controlled simultaneously using the PVSA based on an antagonistic actuation inspired by the musculoskeletal system. The PVSA consists of a dual-cam follower mechanism, which acts like a human muscle, and a drive module with two motors. Each cam placed inside the dual cam-follower mechanism has two types of cam profile to provide a wide range of stiffness variation and collision safety. The use of the PVSA enables position and stiffness control to occur simultaneously. Furthermore, joint stiffness instantly decreases when the PVSA is subject to a high torque exceeding a pre-determined value, thereby improving collision safety. Experiments showed that the PVSA provides effective levels of variable stiffness and collision safety.     

基于关节速度的液压比例驱动工程机械臂位姿控制

为了解决液压驱动工程机械臂在实际工程作业中加装位置传感器会使得系统复杂,从而可靠性降低,以及在关节处位置闭环伺服控制会导致液压系统效率降低的问题,提出在比例液压油缸驱动的机械臂中用位姿闭环而非关节位置闭环构成机器人控制系统.使用惯性导航、激光雷达、视觉等获得机械臂末端姿态,通过机器人运动学逆解得到当前关节值,与目标关节...     

手臂康复机器人的动力学分析

介绍的手臂康复训练机器人可用于因受外伤或疾病造成的手臂运动障碍患者.它可以实现水平面和竖直面的轨迹运动,具有主动和阻尼2种工作模式,能够对肩关节、肘关节进行训练.分析了机器人的结构及其动力学模型,将人的手臂简化为圆台型刚体,关节简化为绕固定轴转动的回转关节,采用Matlab/Simulink的Mechanics构建了包括康复训练机器人和人的手臂在内的整个康复训练系统的动力学模型,仿真结果验证了动力学模型的有效性.     

Dynamics synthesis and control for a hopping robot with articulated leg

To investigate the design and the applications of elastic underactuated mechanisms for improving the energy efficiency of dynamic mechanical systems, the dynamics and control of a one-legged hopping robot with articulated leg is studied in this paper. To ensure the controllability of the elastic underactuated mechanism, a dynamics synthesis method is proposed for designing the underactuated mechanism so that the dynamics of the system can be transformed into the strict feedback normal form. To improve the energy efficiency of the one-legged locomotion system, an optimal motion planning method is presented to optimize the trajectories of the robot joints. A nonlinear controller is proposed to stabilize the hopping robot to its balance configuration in stance phase, and a switched linear controller is proposed to stabilize the continuous hopping movement. The stability of the presented controllers is analyzed in theory and verified by some numerical simulations.     

医用内窥镜系统体内驱动方式的研究

提出了一种新型的医用内窥镜系统的体内驱动方式和相应的驱动机构。此方式利用螺旋旋转时产生的牵引力推动医用内窥镜系统在人体内腔中运行，同时利用螺旋旋转时产生的动压效应建立起动压润滑粘液膜，使医用内窥镜系统在体内运行时不与内腔壁发生直接接触。避免对人体有机组织产生损伤。详细分析计算了用此方法驱动的医用内窥镜系统在不同半径、不同粘度粘液和不同弹性模量的内腔中的轴向运行速度和形成的粘液膜厚度，结果表明，用此方法驱动的医用内窥镜系统在人体内腔中运行时可以形成足够厚的粘液膜把医用内窥镜系统与内腔壁隔开，实现以较快速度的悬浮运行。上述分析结果已被实验研究所证实。     

蛇形机器人行波运动的研究

对蛇形机器人的行波运动机理进行了研究,基于Serpenoid曲线建立了蛇形机器人行波运动的形状控制模型、运动学模型、机构动力学模型及环境动力学模型,给出了求解过程。仿真结果表明：在行波运动中,各关节输入力矩大小呈周期变化,且随其与蛇体重心距离的增加而减小。蛇体中心关节的最大输入力矩为蛇形机器人所需最大输入力矩。对称关节输入力矩幅值变化规律相同,但相差不同;运动初始弯角保持不变,关节输入力矩随着环境摩擦因数的增加而增加。环境摩擦因数保持不变,关节输入力矩随着初始弯角的增加而减小。     

双臂弹性单腿机器人的垂直跳跃控制

提出一种新型弹性单腿跳跃机器人系统,该机器人由两个驱动臂和一个弹性被动伸缩腿组成,系统只能依靠内部动力学耦合实现动态站立平衡、起跳、稳定连续跳跃运动.给出系统机构模型,分析该系统的变约束特征.该机器人系统在支撑相是二阶非完整约束系统,在飞行相是一阶非完整约束系统.针对这种欠驱动非完整约束动力学系统,采用时变非线性输入变换,提出一种实现垂直方向连续跳跃的运动控制算法.以控制腿部的姿态和振动规律、系统动量为目标实现机器人的全状态稳定控制.通过计算仿真模拟,验证提出的运动控制方案是可行的.该研究以探索弹性欠驱动机械系统振动能量循环利用技术为目标,研究结果对设计新型弹性欠驱动机械系统以及探索它在航天领域的应用具有一定参考价值.