多模块蛇形管道打磨机器人的设计与分析

设计了一种由多个模块构成的蛇形管道打磨机器人,各个模块之间可以快速拆装,其中驱动模块为机器人在管道中前行提供动力牵引．该机器人可以主动适应内径为250 mm~450 mm的直管道、弯管道及其组合管道,可以在管道内部实现以打磨作业为主的作业功能．同时,提出了适用于蛇形管道打磨机器人自身过弯管的速度模型,通过对机器人的力学分析得出各个模块之间相互作用力的计算方法及影响机器人在管道内部转体运动发生的因素．在ADAMS软件中进行了虚拟样机仿真验证,初步验证了蛇形管道打磨机器人的通过性并得出机器人在管道内部前行的最佳匹配．最后,搭建了实验平台,制作了机器人真实样机,验证了机器人对内径为250 mm~450 mm管道的适应性、通过性及作业效果．     

柔性蠕动管道机器人的牵引力及软轴结构稳定性分析

为解决柔性蠕动管道机器人的运动控制问题,提高机器人管内行走效率,对一种具有导向头和刹车轮结构的柔性蠕动管道机器人进行了深入分析和研究.通过对机器人进行管内受力分析,建立起机器人的牵引力模型;为提高机器人在不同管道环境中的运动性能,对软轴结构的运动稳定性进行了分析,提出了机器人蠕动运动失稳的概念,并采用长柱体的稳定性理论进行分析,推导出机器人在直管和L型管道中的临界失稳条件,为柔性蠕动管道机器人步距规划提供了理论依据.搭建管道实验环境进行机器人的牵引力和行走实验,测试值与理论分析基本一致,说明柔性蠕动管道机器人具有优良的牵引能力,行走过程中的运动失稳现象也验证了软轴临界失稳理论的正确性.     

FAST算法机器人角点检测中的应用与研究

蛇形机器人常规动作非常多,比如蜿蜒、蠕动、翻滚等,这些复杂的动作需要快速构建一个角点检测和配准算法,FAST算法是一种基于机器学习的快速角点检测算法,可以有效提升蛇形机器人导航和控制精准程度,提升动态复杂环境下蛇形机器人运动的可靠性。本文基于笔者多年的工作实践,详细地描述FAST算法在角点检测中的应用现状,同时描述未来FAST算法的应用研究趋势,为其在机器人控制、导航中的应用提供参考。     

蛇形供水管道机器人头部结构设计与运动学分析

管道机器人被广泛应用于管道检测领域,为适应小口径带压供水管网的检测,设计了一种小体型的蛇形管道机器人头部结构,不仅有着良好的防水抗压效果,且该结构引入连续体机器人的特点,采用绳驱柔性体和关节旋转的配合动作来进行姿态变换,使得机器人头部运动更加灵活,能够在150mm-300mm的小口径自来水管道中自由移动,有着广泛的可达任务空间;运用等效D-H方法建立机器人的运动学模型,计算出其正、逆解析表达式,并使用蒙特卡罗法在Matlab中绘制出机器人头部的可达任务空间图,最后将设计的虚拟样机模型在Adams仿真软件中进行仿真分析;运动学分析和虚拟样机模型的仿真分析结果表明,所提设计方案合理可行,满足应用设计需求。     

基于Hopf振荡器实现的蛇形机器人的步态控制

针对生物蛇不同步态的运动特点,提出了一种基于Hopf振荡器实现的蛇形机器人的中枢模式发生器(CPG)运动控制方法.首先,利用具有非线性极限环特性的耦合的Hopf振荡器构建出能够实现蜿蜒运动和侧向蜿蜒运动两种步态的链式网络模型.然后,根据动力学仿真软件建立机器人的虚拟样机,利用模型中振荡器的输出作为蛇形机器人分布式多冗余度关节的控制信号来驱动前进,成功实现了以上两种运动方式,并讨论了CPG的模型参数与机器人前进速度的关系.最后,在实物样机上的实验进一步验证了所提出的方法在实现蛇形机器人多种步态控制方面的有效性.     

蛇形机器人在缆索检测中螺旋滚动步态的研究

提出了一种检测桥梁缆索的方式,利用蛇形机器人在缆索上螺旋滚动步态的优点,检测缆索表面和内部损伤,克服传统的桥梁缆索检测方法的不足。研究了蛇形机器在缆索上螺旋滚动步态的实现,确定了螺旋滚动曲线的参数与蛇形机器人螺旋滚动姿态的关系。通过参数的调整和优化,使蛇形机器人既不会抱得过紧而损伤缆索,而降低蛇形机器人的运行速度和消耗蛇形机器人更多能量,又不会抱得太松而使蛇形机器人从缆索上滑落,而降低蛇形机器人在缆索上运动的安全性。最后通过Webots仿真软件的模拟真实环境,表明了蛇形机器人可以在桥梁缆索上实现螺旋运动,且螺旋运动可以适应不同直径的缆索,通过改变参数,可优化和调整蛇形机器人的螺旋形状,使蛇形机器人模块选择灵活、运动的安全和高效。     

形状记忆合金驱动的蛇形机器人运动仿真研究

基于Serpenoid 曲线建立了蛇形机器人行波运动和攀爬运动的运动学、动力学模型,根据模型提出一种具有万向节功能的pitch-roll 模块,利用形状记忆合金驱动器具有结构小和只受温度变化影响两大特点建立了蛇形机器人关节。应用MSC/ADAMS 虚拟样机软件对基于形状记忆合金驱动蛇形机器人进行行波运动和攀爬运动的动力学分析,并对仿真过程中遇到问题提供了解决办法。模型仿真效果非常理想,完全达到设计要求,为下一步研制物理样机提供了理论指导,也为其他仿生机器人的研究提供了参考。     

基于改进蛇形曲线的蛇形机器人在流场中避障的轨迹跟踪控制律

针对蛇形机器人在流场中各关节之间的轨迹跟踪问题,研究一种基于改进蛇形曲线的蛇形机器人在流场中避障的轨迹跟踪控制律.首先,考虑流体环境可能施加在蛇形机器人系统上的外部干扰,采用浸入边界-格子Boltzmann方法(IB-LBM)在流场中建立障碍通道和蛇形机器人的流固耦合模型.然后,对蛇形机器人加入势函数,使其可以避开障碍;并采用改进的蛇形曲线方程使机器人尾部各关节跟踪头部的运动轨迹.最后,通过Matlab仿真和实验,研究不同流场密度、机器人尾部摆动频率以及流场雷诺数等参数对蛇形机器人轨迹跟踪的影响.理论分析和数值仿真表明,所设计的轨迹跟踪控制律不仅可以使蛇形机器人在遇到障碍时各关节跟踪前一关节的运动轨迹,而且还能使横向距离、纵向距离及方向角趋于稳定,达到有效避障的目的.此外,蛇形机器人在离开障碍通道后,各关节可以恢复蛇形曲线的运动形式,为蛇形机器人提供源源不断的前进动力.仿真和实验结果验证了轨迹跟踪控制律的有效性.     

管道检测机器人设计与实现

为了简化管道检测流程和提高效率,设计了一种以通信服务模块为中心的管道检测机器人系统.从硬、软件两方面介绍了该嵌入式系统的设计和实现方法.硬件部分采用低功耗、高性能的STM32处理器作为客户端,通信服务模块采用高通AR9331路由器处理芯片.软件部分主要使用基于Linux的小型开源系统OpenWRT,实现了运动控制、视频采集、参数检查、网络数据收发、级联工作等功能.根据管道机器人的特殊工作流程,制定了一套适用于管道检测的通信协议,保证了机器人的正常工作,提高了检查效率.各种测试结果表明该嵌入式系统设计合理,整体上满足管道检测机器人的各项功能要求.     

一种基于空间连杆机构的蛇形机器人

提出了一种基于空间连杆机构的蛇形机器人模型．该蛇形机器人各骨节间通过万向铰链连接,每节安装两个微型伺服电机,电机带动曲柄转动,曲柄经两端为球铰的连杆驱动另一骨节运动．通过两个电机的耦合驱动,该蛇形机器人能实现蜿蜒爬行、转向、抬头等多种运动方式．文中给出了该空间连杆机构的运动学解,基于Serpenoid曲线计算得到了实际控制所需的关节转角和步数,并编程实现了上述运动方式．     

基于蛇形机器人桥梁缆索无损检测系统的研究

基于桥梁缆索无损检测的特殊性,且针对目前桥梁缆索检测智能化的需要,介绍了一种新型的检测系统,即基于桥梁缆索检测的蛇形机器人.此蛇形机器人具有较大的自由度,有非常好的环境适应能力.在分析蛇形机器人的本体结构特点和运动机理的基础上,并根据桥梁缆索的特性,研究了基于蛇形的器人桥梁缆索的无损检测系统.通过实验证明:此无损检测系...     

蛇形机器人水下3D运动建模与仿真

由于蛇形机器人具有多关节、超冗余自由度的特点,以及水环境高度复杂非线性化,使得蛇形机器人的水下3维步态难以通过实验进行验证、分析及优化针对这些问题,根据蛇形机器人样机"探查者Ⅲ",搭建了水下运动的仿真分析系统.首先,分析了蛇形机器人水下运动时不同姿态下的水静力,计算了机器人受到的附加质量力和黏滞阻力的线性项和非线性项,并研究了流体力矩对水下运动的影响.然后,基于Morison方程建立了机器人与水交互的力学模型.最后,在仿真分析系统中对逐节下潜步态进行仿真,分析机器人的运动性能,并进行相应的实验.通过前进速度、下潜速度、运动趋势的对比表明:该力学模型能比较准确地模拟机器人与水环境的交互作用,仿真分析系统能用来验证和分析蛇形机器人的水下3维运动步态.     

基于Webots的蛇形机器人翻滚运动仿真及实现

针对蛇形机器人的侧向翻滚运动,给出一种建立正交关节蛇形机器人三维空间运动模型的方法,提出了一种更为简单的实现蛇形机器人侧向翻滚运动的舵机输入函数.通过选择不同的控制参数,可以实现蛇形机器人"U"字形和"V"字形侧向翻滚运动.在Webots移动机器人仿真软件上进行正交关节蛇形机器人翻滚运动仿真,并在蛇形机器人本体上进行试验,验证了所提控制规律的有效性.     

仿蛇变体机器人运动机理研究

本文设计了一种蛇形机器人，分析了蛇形机器人的结构，详细讨论了蛇形机器人的运 动机理和几何结构关系，并推导出蛇形机器人的控制算法和相应的控制程序，蛇形机器人在 程序控制下能够向前、向后运动，在一定程度上实现了蛇的运动．     

主动关节履带式蛇形救援机器人结构参数多目标优化设计

针对机器人化救援装备研制的难点,对具备肌肉注射功能的蛇形机器人结构参数进行了优化,进而解决了废墟非结构环境对机器人执行任务的约束问题。首先,在分析机器人废墟环境运动机理基础上,建立机器人运动性能与结构参数的函数模型。然后,利用基于非支配排序的NSGA-II和基于分解的MOEA-D多目标遗传算法2种方式对模型分别进行求解。通过对比2种方式,证明了NSGA-II算法在求解上更有效,最终确定机器人样机的最优结构设计参数。最后,根据优化结果研制了实验用的蛇形机器人样机。实验结果显示机器人的最大台阶翻越高度为0.18m,相对误差为0%;最大沟壑跨越宽度为0.4m,相对误差2.3%;直线构形最小转向阻力矩为14.320N·m,相对误差11.2%。验证了基于NSGA-II算法的结构参数多目标优化设计方法的有效性。     

基于球形视频机器人的管道内缺陷检测方法研究

传统的压力管道内表面缺陷检测管道运行安全十分重要,目前检测方法对待检测管道的形状结构要求较高,检测方法低效耗时费力。设计了一种球形视频管道内缺陷检测机器人,通过搭载的高分辨率立体相机拍摄视管道内部频流,编制基于深度卷积神经网络软件对视频流进行带表面缺陷图片分选,采用Fast-RCNN快速区域卷积神经网络对管道缺陷进行标记,通过该标记可实现管道内部缺陷的安全评估,实验结果表明了该检测方法的有效性。     

渗滤液导排管道检测机器人的研究

针对垃圾填埋场渗滤液导排管道检测的需要,研究了一种基于CCD摄像方法的管道检测机器人系统,该系统主要由机器人的驱动装置、预清洗装置、检测系统、控制系统和地面工作站等组成.详细介绍了管道检测机器人的系统总体设计和各组成部分的功能.经系统测试和现场实验表明,该系统能够在管道内平稳运行、传输出清晰地管道内壁图像、完成管道清洗的工作,实现管道机器人的远程信息的交换和控制.     

一种新型中央空调管道机器人的设计

论文根据集中空调管道清扫的特点,设计了一种新型的空调管道机器人,并以自行研发的集中空调管道机器人样机为例,介绍了其传动机构、运动机构的设计,系统功能的实现以及由些引出采上位机与下住机的通信方式的问题.设计中采用三轮三角形布置的轮式移动载体,选用RS-485作为通信电气标准,实现51单片机控制端与Pc机的通信.在操作员的远距离遥控操作下,空调管道机器人在管道内部自动行走,并携有操作机构和辅助设备(CCD摄像机、管道清洁扫等),进行一系列管道清扫作业.     

基于形态学的蛇形机器人运动步态算法研究

基于蛇形机器人运动形态学,利用扩展Frenet-Serret分析了一种蛇形机器人运动的几何模型,并根据这种几何模型研究了一种确定蛇形机器人的运动步态规律的算法,称之为EFSA(extended frenet-serret algorithm)算法.用这种算法规划了无轮蛇形机器人的基本运动步态,而且重要的是实现了蛇形机器...     

蛇形机器人控制系统的设计与实现

以蛇为模型的蛇形机器人的研究，扩大了机器人的应用领域．本文基于CAN总线技术完成了蛇形机器人控制系统的设计及研制，有效地实现了机器人的运动控制．在此基础上完成了蛇形机器人的集中式控制和分布式控制方式．