新型爬壁机器人越障机理及能力研究

爬壁清洗机器人是在危险的高层建筑环境下替代人进行清洗工作的机械,其可靠性和稳定性尤为重要. 在分析传统爬壁清洗机器人弊端的基础上,针对玻璃存在的窗框障碍物,设计一种四旋翼摆臂式爬壁清洗机器人.机器人基于履带式底盘结构,通过旋翼旋转产生推力提供壁面行走所需的吸附力,并设计相应的机器人摆臂变形机构,增加机器人的壁面越障能力. 从运动学角度分析机器人越障时的运动机理,建立机器人壁面攀爬的运动学模型. 在RecurDyn的Track LM模块环境下,对机器人越障过程进行运动学仿真,得到驱动轮的驱动转矩、旋翼推力随时间变化曲线;对Y轴重心位置和加速度变化曲线分析,机器人在越障过程中能够保持良好的平稳性,论证了四旋翼摆臂式爬壁清洗机器人的越障能力和越障过程中的平稳性.     

地震搜救机器人构型设计综述

针对地震搜救机器人在灾难救援工作中的运动特征,系统的总结了搜救机器人构型设计的研究现状.通过对足式、轮式和履带式地震搜救机器人的代表性结构设计比较,分析其在地震搜救工作中的地形适应性和移动平稳性,并提出今后地震搜救机器人的设计趋势.     

基于5次NURBS的六足机器人足端轨迹规划

轨迹规划是六足机器人研究领域的重要内容之一.使用5次NURBS曲线插值法对机器人腿部进行各关节的轨迹规划,使得各关节在腿部运动时的角度、角速度和角加速度曲线能够平稳连续,从而提高腿部运动的平稳性、动作快速性.通过MATLAB仿真和机器人试验证明:采用5次NURBS曲线插值法可以使机器人在运动过程中保持腿部连续平稳,降低了各关节运动产生的突变对机器人腿部的冲击,使机器人的运行轨迹得到一定的优化.     

基于2-SPR/RUPR并联机构的四足步行机器人轨迹规划与步态分析

本文提出一种基于2-SPR/RUPR并联机构的四足步行机器人.用改进复合曲线法规划了机械腿足端行走点轨迹.在四足步行机器人的足端行走点沿前进方向的加速度曲线为正弦函数,沿竖直方向的加速度曲线为分段函数的情形下,通过对前进方向、竖直方向加速度曲线两次积分得到足端轨迹曲线.由足端轨迹曲线变化规律可以得到其运动过程无突变点,足端可以实现无冲击抬腿与着地.仿真实验表明足端速度与加速度曲线与理论曲线一致,验证了理论计算的正确性.使用ZMP方法,通过对比分析机器人在运动过程中的重心调整量以及稳定裕度值得到最优步态.该四足步行机器人具有运动平稳且灵活的特性,适用于田垄等崎岖路面上需要大的移动步幅来运输重物的应用场合.     

基于多虚拟元件的直腿四足机器人Trot步态控制

为了提高四足机器人在未知复杂地形下的快速平稳通过能力,基于直腿四足机器人模型对机器人着地相控制方法进行了研究。首先,针对在复杂路面下的运动工况,建立了直腿四足机器人的运动学和动力学模型。其次,基于弹簧负载倒立摆动力学特性,在机身多个自由度上引入弹性阻尼等虚拟元件,在着地相过程中实现了对包括前进等在内的多个机身运动自由度的控制。最后,在虚拟样机仿真中实现了机器人在平坦路面和复杂路面下的运动,验证了控制方法的正确性和有效性。通过对仿真结果的分析,总结出两种控制策略在运动平稳性、能耗水平和耦合运动等方面的优劣,为提高机器人在不同运行工况下的综合运动性能奠定了基础。     

轮式机器人小车变距离运动控制策略的研究与实现

轮式机器人小车变距离运动是使其在任意设定距离的曲线上实现高速精确运动及停止,基于STC12C5410AD单片机可编程计数器阵列（PCA）/PWM实现轮式机器人小车运动控制的硬件电路设计,并将工业智能调节器的PID控制算法与同步补偿控制算法及模糊控制相结合,实现了轮式机器人小车的变距离运动控制.实践表明,该系统具有硬件电路简单、抗干扰能力强、运动速度快、控制精度高等特点.     

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.     

工业机器人CP运动指令的设计与实现

在工业机器人运动控制中,加速度影响机器人运动轨迹的柔顺度,优化加速度可以减少轨迹跟踪误差,减少执行器和机械结构的负担.采用六自由度关节型机器人,设计基于加速度优化的直线插补运动和圆弧插补运动CP指令算法,再设计工业机器人直线与直线间以及直线与圆弧间具有光滑过渡的CP指令算法,最后基于设计的算法开发工业机器人控制仿真系统并进行验证.结果表明:所设计的CP指令满足工业机器人的运动控制要求,提高工业机器人运动控制的柔顺性.     

可重构星球探测机器人

中科院沈阳自动化研究所研制成功“可重构星球探测机器人”．并通过了国家验收．“可重构星球探测机器人”由车体和三角履带轮组成．车体为主机器人．每个轮子都是1个子机器人．子机器人上还连有1只机械臂．可根据星球具体环境进行“变形组合”。当子机器人的“手”抓住主机器人后．就成为主机器人的轮子．多个子机器人协调运动．就可完成与其他火星车相同的运动。     

八轮扭杆摇杆摇臂月球车运动控制研究

详细分析了八轮扭杆摇杆摇臂月球探测车轮子的运动情况和受力分析,提出了5种轮子操作模式,指出月球车在自由操作模式下的运动是比较理想的,机构间的能量损耗是最小的。讨论了对于在复杂环境中轮式探测车的电机驱动模式的选择对探测车运动稳定性的影响。用轮子操作模式的观点分析了3种简单电机驱动模式下月球车在平坦和崎岖地形中的不同运动情况。根据八轮扭杆摇杆摇臂月球探测车的机构特点,结合轮子操作模式,利用月球车机构特征和速度匹配原理,提出一种具有良好地形适应能力运动控制算法,把它融合到了整个运动控制系统当中,提高了月球车在崎岖地形中的运动性能。通过野外环境中的实验证明了运动控制模型的合理性和构建系统的可靠性。     

四足仿生机器人稳定性判定方法

为了准确评定足式机器人的行走稳定性及稳定裕度,提出了采用支撑面压力中心至机器人各足支撑点构成的支撑多边型各边的最短距离来评定机器人的行走稳定性的一般准则.根据该准则,引入了最小稳定距离概念,并将该判定准则转化为重心在支撑面的投影到支撑多边形边缘的最短距离来间接判定机器人的稳定性及稳定裕度,方便了计算.通过仿真讨论了干扰项、重心高度、支撑面倾角以及机器人质量等变量与稳定性的关系,最后给出了实验,验证了一般准则的有效性.     

平行四杆联动式管道机器人弯管过渡阶段的速度控制

为提高平行四杆联动式管道机器人弯管过渡阶段的通过能力,提出一种基于机器人过弯偏角变化的速度控制模型。通过对机器人弯管过渡阶段的运行状态的分析,建立了机器人在该阶段运行的位姿模型,求解该位姿模型可得到机器人各驱动轮的轮心以及驱动轮与管壁接触点的位置坐标。以建立的位姿模型为基础,结合无干涉条件下的驱动轮运行速度与驱动转速之间的关系,得到各驱动轮驱动转速基于偏角变化的速比关系,即速度控制模型。对所提出的基于偏角变化的速度控制模型进行仿真验证,仿真结果与理论计算基本一致,验证了该控制模型的正确性。     

横向路拱引起路面疲劳破坏的差异研究

为研究高速公路横向路拱引起的车辆左右轮下的路面疲劳差异破坏,利用有限元软件ANSYS对高速公路横向路拱引起的路面差异破坏进行计算研究.计算了标准轴载下路面结构的疲劳寿命年限,提出了疲劳寿命差异系数的概念,分别研究了左右轮下面层剪切疲劳破坏差异和底基层拉伸疲劳破坏的差异,解释了在道路上总是车轮右侧路面龟裂或裂缝严重,而左侧损坏相对较小的现象.研究认为：车轮左右两侧路面疲劳破坏寿命是不同的,并且两侧路面的疲劳寿命差异系数随着横拱坡度的增加而急剧增大;随车辆重心高度的增加而增大.     

低重力补偿下六轮独立驱动月球车的运动分析

为了在地球上模拟月球表面的低重力环境,需要对月球车进行重力补偿.提出了吊丝式双天车结构的重力补偿方案,确定了月球车在崎岖路面上行进的质心域,分析了低重力下吊丝倾角和质心变化对车轮垂直载荷的影响,绘制了车轮垂直载荷的仿真曲线,完成了低重力补偿下月球车的运动分析.研究结果表明,吊丝倾角越小,月球车的质心变化域越小,则因低重力补偿引起的月球车运动波动越小.该研究为月球车低重力实验环境的建立、月球车移动子系统的功能测试和可靠性实验奠定了理论基础.     

双足溜冰机器人动态稳定性判据研究

根据轮滑原理设计出双足从动轮溜冰机器人,使用D-H方法给出运动学方程.将机器人腿划分为支撑腿和摆动腿两种类型,考虑本体平衡条件和滚轮运动约束条件,并且假设摆动腿滚轮处于最大静摩擦状态,推导出机器人滚轮与地面三种不同接触情况下的运动稳定性判据.仿真和实验证实了稳定性判据的正确性和可行性.     

Numerical simulation of wheel wear evolution for heavy haul railway

The prediction of the wheel wear is a fundamental problem in heavy haul railway. A numerical methodology is introduced to simulate the wheel wear evolution of heavy haul freight car. The methodology includes the spatial coupling dynamics of vehicle and track, the three-dimensional rolling contact analysis of wheel-rail, the Specht's material wear model, and the strategy for reproducing the actual operation conditions of railway. The freight vehicle is treated as a full 3D rigid multi-body model. Every component is built detailedly and various contact interactions between parts are accurately simulated, taking into account the real clearances. The wheel-rail rolling contact calculation is carried out based on Hertz's theory and Kalker's FASTSIM algorithm. The track model is built based on field measurements. The material loss due to wear is evaluated according to the Specht's model in which the wear coefficient varies with the wear intensity. In order to exactly reproduce the actual operating conditions of railway,dynamic simulations are performed separately for all possible track conditions and running velocities in each iterative step.Dimensionless weight coefficients are introduced that determine the ratios of different cases and are obtained through site survey. For the wheel profile updating, an adaptive step strategy based on the wear depth is introduced, which can effectively improve the reliability and stability of numerical calculation. At last, the wear evolution laws are studied by the numerical model for different wheels of heavy haul freight vehicle running in curves. The results show that the wear of the front wheelset is more serious than that of the rear wheelset for one bogie, and the difference is more obvious for the outer wheels. The wear of the outer wheels is severer than that of the inner wheels. The wear of outer wheels mainly distributes near the flange and the root; while the wear of inner wheels mainly distributes around the nominal rolling circle. For the outer wheel of front wheelset of each bogie, the development of wear is gradually concentrated on the flange and the developing speed increases continually with the increase of traveled distance.     

一种类人型机器人的步行稳定性研究

类人型机器人行走稳定性的理论对机器人模仿人的行走有着至关重要的影响。通过增加类人型机器人的脚跟,使其行走稳定性增强.根据双足机器人行走稳定性的动力学条件,结合类人型机器人行走的特征和重心位置,并考虑地面反力和能量两方面的因素,给出了类人型机器人行走稳定性与脚跟高度的数学关系,即增加机器人的脚跟可以增强类人型机器人步行的稳定性.     

考虑万向轮扭转角扰动轮式移动机器人轨迹跟踪

为了研究轮式移动机器人运动过程中万向轮扭转的扰动对其轨迹跟踪的影响,提出了一种考虑前端万向轮摩擦扰动及其质心与几何中心不重合的轨迹跟踪控制方法。首先,建立了考虑万向轮扭转角扰动的轮式移动机器人动力学模型;其次,根据位姿误差模型,采用反步法设计虚拟速度控制器收敛系统位姿误差;然后,结合扰动观测器对机器人行进过程中万向轮扭转所带来的摩擦扰动进行估计,构造出一种基于积分滑模思想的力矩控制器以保证速度追踪;最后,利用Lyapunov稳定性理论对系统的稳定性和渐近收敛进行证明。仿真及实验结果表明,将万向轮摩擦所带来的扰动反馈给动力学控制器,可以减轻控制器的负载。与忽略万向轮扰动的控制方法相比,轮式移动机器人的位置误差最大值的均方根值降低了37.37%,提高了运动系统的稳定性。     

Kinematics analysis for obstacle-surmounting capability of a joint double-tracked robot

A double-tracked robot is designed from mechanical and control perspectives, which consists of two segments connected with a swing joint. As the angle between the two segments of the robot platform can be changed, the robot can move like a four-tracked robot on many terrains. The center of gravity (CG) kinematics model is established, which plays an important role in the process of traveling over obstacles and climbing up stairs. Using this model, the CG change situation and the maximal height of the climbable obstacle are obtained. Then the relationship between the robot pitch angle and the height of the obstacle is established. Finally, a reasonable system structure for the robot is designed and its kinematics analysis for obstacle-surmounting capability is conducted through experiments.     

Traveling property of wheel-type pipeline robot with different configurations

In order to improve the travelling ability of the wheel-type pipeline robot in elbow section of pipeline,the model of drive ratios is proposed aiming at the pipeline robots with different configurations.Through the movement analysis of the robot with different configurations in elbow section,the pose model of the robot is established,and the coordinates of the wheel centers and the contact points can be got through the calculation of the pose model.Based on the pose model established,the corresponding drive ratios are obtained combining with the relations of the velocities of wheel centers and rotative velocities of wheels under the movement condition with no interference.The virtual simulations and prototype experiments are carried out,and the drive ratios accuracy of the model when the robot moved in elbow without interference is validated.