基于局域网的多水下机器人仿真系统设计与实现

多水下机器人仿真系统是一个能够对多水下机器人系统的体系结构、协调控制、路径规划、学习算法等进行演示验证的分布式实时数字仿真系统,是开展多水下机器人技术研究的基础和有效手段．讨论了应用基于局域网的分布式仿真技术来解决多水下机器人系统仿真的问题,并详细说明了仿真系统的硬件组成和软件总体设计．     

基于水下六足机器人腿部运动控制问题研究

水下爬游六足机器人相比于传统的水下控制器ROV(Remote Operated Vehicle),AUV(Autonomous Underwater Vehicle)具有造价低,运行和维护成本相对较低的特点,以及最主要的可以实现定点作业的问题,设计了能够在海底爬行的水下六足机器人。基于以往的多足机器人腿部控制方法使得机器人在运动时存在严重的互斥力问题,尤其当机器人自身重量大时,对关节损伤严重,对如何解决分布于机体两侧各腿处于支撑态行走一步的过程中产生的互斥力问题进行了深入研究,并对控制算法进行改进,使得机器人的两侧腿处于支撑态时走出的轨迹为两条平行线。给出了机器人在不同爬行状态下正逆运动学解,并进行了Simulink仿真验证。此外,对机器人如何爬行,即控制策略进行了描述。     

浮力驱动式水下滑翔机运动仿真

浮力驱动式水下滑翔机对我国海洋勘探和国防建设有着重要应用前景,根据水下滑翔机三维运动模型,以MATLAB/Simulink为平台完成了滑翔机建模和图形界面仿真工具的设计。并以此仿真软件进行算例计算。该仿真成本低廉,可广泛应用于一般的水下滑翔机设计方案验证。     

足式机器人SLIP模型向上跳跃台阶的运动控制

由于存在地势起伏,台阶对足式机器人运动稳定性会带来较大挑战.弹簧负载倒立摆模型(SLIP)作为研究足式机器人的优良模板,能否完成向上跳跃台阶的动作与其腿部摆角,起跳位置和跳跃高度都有密切的关系.由于调整模型腿部摆角规律容易引发运动失效,故本文在算法中引入虚拟弹簧腿,根据虚拟弹簧腿的运行规律确定合理起跳位置,根据起跳位置来控制系统跳跃高度进而完成跳跃台阶的动作.最后利用仿真软件进行多组仿真,结果表明本文算法对起跳区间划分合理,对起跳高度控制精准,能够实现SLIP模型跳跃台阶前后的稳定运动.     

多水下机器人视景仿真系统技术研究

该文介绍了多水下机器人群体分佰式智能控制软件的视景仿真系统。以MultiGen Creator建模,利用实时视景开发软件包OpenGL Performer,采用POSIX Thread多线程技术,在Linux环境下开发了分布式多水下机器人三维视景仿真平台。实现了多水下机器人分布式智能控制软件系统的实时视景仿真,保证了整个系统的信息共享与时间同步。同时该文讨论了该视景仿真软件的开发过程以及整个系统的体系结构和信息流程。试验结果表明,该视景系统可逼真演示多水下机器人编队水下航行、作业等过程,并满足系统仿真的实时性要求。     

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.     

仿生六足机器人步态设计与运动仿真

仿生六足机器人稳定性好、灵活度高在众多领域得到了使用。为实现对六足机器人的运动控制和性能分析，通过构建机器人D-H连杆坐标系结合机械结构参数，确定了运动学正解、逆解表达式；设计可修改参数的机器人行走参考步态，引入了控制机体保持水平的姿态控制和适应不平整地形的腿着陆控制。以MATLAB的Simulink作为仿真环境，构建机器人模型，完成运动仿真，并对测量到的运动数据和腿部关节输出力矩进行分析。其结果表明，机器人能够跟随所设计步态生成的轨迹连续稳定行走，使用基于模型设计的方法，验证了所提算法的正确性和可行性，最后得到了腿部各关节力矩分布，为后续六足机器人设计与运动控制提供参考。     

连续电驱动四足机器人腿部机构设计与分析

提出了一种四足机器人腿部的连续电驱动（即电机整周转动驱动腿部实现摆转跨步动作）方案,设计了一种具有由切比雪夫机构、五杆机构组成的2自由度双曲柄复合连杆机构的机器人腿部结构．分析了动物的足端轨迹特性,采用轨迹圆滑、无突变、导数连续的椭圆曲线规划了机器人足端运动轨迹．以规划的足端轨迹再现为优化目标,采用遗传算法与fmincon函数内点法计算得到了腿部机构杆长的最佳尺寸．在此基础上,建立了机器人仿真模型,通过Adams仿真分析了机器人腿部机构的足端运动特性,并研制了腿部结构性能测试平台．完成了单腿足端运动轨迹跟踪实验,验证了腿部结构设计方案的可行性．     

基于高阶多项式的爬游机器人足端轨迹规划

针对深海爬游机器人足端轨迹规划问题,采用高阶多项式拟合的方法对其进行研究;首先,介绍了爬游机器人整体结构并对其进行运动学建模,结合爬游机器人运动学模型提出了一种直线与曲线相结合的机器人足端轨迹;其次,利用四阶多项式和六阶多项式分别对机器人足端轨迹进行拟合,比较两种拟合结果可知,六阶多项式拟合方法对机器人足端速度、加速度的规划效果更佳;利用六阶多项式轨迹拟合方法对多段轨迹连接点处的速度问题进行了分析,解决了机器人在运动过程中腿部抖动问题,使机械腿具有良好的控制柔顺性;最后,根据D-H法则建立机器人单腿仿真模型,通过仿真验证了算法的可行性,进一步在水池中利用机器人实物样机验证了算法的有效性.     

AUV导流罩外流场数值仿真与几何参数优化

在水下机器人做为探测海洋的手段问题的研究中,针对框架结构优化问题,为了最大程度的减小自治水下机器人(Autonomous underwater vehicle,AUV)运行中的阻力,提高能量的利用率,在已设计的AUV框架结构的基础上,提出了三种导流罩形状模型,利用流体分析软件Fluent对模型的外流场,获取每种模型的受力情况.进行仿真计算,得到AUV导流罩外形几何参数对流体动力学的影响,选出较优模型,得到AUV导流罩几何参数的优化.经过分析,对优选模型进行外流场压强和速度满足要求,验证了以上分析的可靠性,并为进一步AUV整体结构力学计算提供依据,具有一定的实用价值.     

具有悬挂系统的轮腿式机器人设计与分析

设计了一种具有独立悬挂系统和足端缓冲机构的六足轮腿式机器人.该机器人结合了轮式机器人和腿式机器人的优点,同时将汽车的独立悬挂系统的设计思想应用在机器人上,降低了不平整地面对机器人的冲击,并减轻了由此引起的振动,保证了机器人在不同的复杂环境下机身内部环境的稳定.本文对该机器人的机构与结构进行阐述,建立了其运动学模型以及其悬挂系统机构和足端缓冲机构的单自由度振动模型,并对其缓冲机理进行分析对比.通过ADAMS仿真软件在不同地形环境下对其进行动力学仿真分析,验证了在机器人的运动过程中,与足端缓冲机构相比,悬挂系统的缓冲减震效果受地形影响较小,且悬挂系统和足端缓冲机构相结合会比单一缓冲机构具有更好的缓冲减震作用.     

Design,modeling and experimental evaluation of a legged,multi-vectored water-jet composite driving mechanism for an amphibious spherical robot

This paper designs a novel legged, multi-vectored water-jet composite driving mechanism (LMWCDM) for the amphibious spherical robot (ASRobot) and presents modeling and experimental evaluation of this composite driving mechanism. In order to crawl on land flexibly, the robot was designed in SolidWorks and simulated in ADAMS environment with the sit to stand motion and a crawling gait. Then the simulation results, such as driving torques, guided the selection of servomotors in different joints. In aquatic environment, the dynamic modeling of ASRobot was analyzed by synthesizing the propulsive vectors of four propellers in each workspace of legs. Simplistically, multiple underwater locomotion, such as longitudinal and lateral motion, rotary motion, sinking and floating motion and cruising motion, were proposed. Thus, using a six-axis force/torque sensor at the equivalent mass center, a force and torque measuring mechanism was developed to obtain the direct propulsive effect and validate the modeling of the driving system. To evaluate the robot design and selection of servomotors, experiments of the sit to stand motion and crawling motion were conducted. Underwater testing experiments of LMWCDM were carried out to verify the modeling of rotary motion, sinking and floating motion. Besides, underwater test of the robot prototype also proved the highly flexible and swift motion.

     

基于切片理论的水下灵巧手手指动力学分析

水中环境的影响使多自由度水下机械臂的动力学模型较为复杂．鉴于动力学模型对系统仿真、控制系统设计的重要性，本文基于切片理论对水下灵巧手手指的动力学进行分析；考虑水阻力、附加质量力的影响，建立了较为精确的动力学模型．采用SimMechanics进行了动力学仿真．仿真结果显示，水动力使手指运动轨迹偏离，因此，手指动态运动控制时必须对其进行补偿．     

Single-actuator AUV performing 3-DOF motion

In this study, we aim to design, simulate and build an autonomous underwater robot with constrained number of control input. A one degree-of-freedom (DOF) input robot whose control output come in three-DOF underwater position is created and tested through simulation and experiment.

The robot has a tube-like shape with a vertical pathway inside for pushing water through using a motorized propeller as its only actuator, making ‘1-DOF input’. Despite constraining to one actuator, three different patterns of input by the difference of motor actuation are used to get various output underwater. When the motor rotates forward, the water is pushed upward and the robot moves downward. With backward rotation, the robot rotates around the vertical axis to change orientation. Lastly, when the motor stops, the robot floats with strong buoyancy. In addition, some weights are placed on its body for asymmetrical trajectory.

Following a formation of design and mechanism, a model is derived. A simulation is carried out to verify the ability of the proposed model. Then, a test robot is built and tested in a real water tank. Both the simulation and experiment results support the proposal, showing that the robot can travel in 3-DOF with the limited inputs.     

水下热动力系统半实物仿真试验系统设计

半实物仿真试验研究是水下热动力系统研究的重要手段之一.文中以某型水下热动力系统为对象,基于虚拟仪器技术设计了一种水下热动力系统半实物仿真试验系统.该系统将控制器、燃料泵等实物与计算机、信号测试设备等构成有机整体,形成半实物仿真系统.简要介绍了水下热动力系统原理,详细介绍了半实物仿真系统所采用的数学模型、测控原理及仿真软件设计.并进行了试验验证研究,试验结果表明该系统能够对燃料泵及其控制系统的动、静态特性进行全面的考核试验,系统可靠,使用方便,具有较强的实用性.     

偏瘫患者辅助下肢外骨骼设计与仿真分析

针对偏瘫患者外骨骼康复机器人降低外骨骼质量的要求,设计了一种辅助下肢外骨骼机器人,采用柔索驱动的膝关节,具有结构简单,质量轻的特点。同时利用ADAMS建立了外骨骼关节柔索驱动的动力学模型,绳索模块建立了柔索驱动模型,通过Ariel生物运动分析软件,采集髋、膝、踝关节运动数据,运用Spline函数进行了仿真分析。经过仿真分析柔索驱动在上台阶运动过程中的不同拉簧预紧力和拉簧刚度下传动特性和驱动力矩,为进一步研究设计下肢外骨骼提供依据。     

基于Simulink的复合驱动机器人关节臂试验系统仿真分析

小体积、重载荷、高精度定位是机器人的一个重要发展方向。本文介绍了对复合驱动机器人关节臂试验系统的研究,应用MATLAB软件对该系统进行了数学建模和PID仿真,实现了快速高精度的小体积复合驱动机器人关节臂试验系统设计。     

电动并联六轮足机器人的运动驱动与多模态控制方法

提出一种并联六轮足移动机器人．该机器人设有多模式Stewart型腿结构,其负载能力大,集成了轮式运动和足式运动的优点,可实现足式、轮式、轮足复合式运动．首先,阐述了机器人设计思路,对电动并联六轮足机器人的硬件系统和控制系统进行设计．其次,针对足式运动模式,设计了一套完整的足式“三角”步态和稳定行走算法,该算法可降低足端与地面之间的垂直方向冲击,防止足式运动拖腿或打滑;针对轮式运动模式,设计并介绍了6轮协同控制和轮式协同转向原理;针对轮足复合式运动模式,介绍了变高度、变支撑面、变轮距、主动隔振控制原理,重点分析了主动隔振控制和变轮距控制,可实现主动隔振及姿态平稳控制,提高了机器人在崎岖颠簸地形下的轮足复合式运动的稳定性．最后,对电动并联六轮足机器人的足式、轮式、轮足复合式运动模式进行实验,实验结果验证了本文提出的并联六轮足移动机器人设计的可行性和各运动模式下驱动与控制算法的有效性．