气动柔性关节六足机器人结构设计与步态实验

采用自主研发的气动柔性关节,研制了一种地面移动六足机器人,能够实现前后、左右移动和转动等功能.重点研究了柔性关节六足机器人腿部结构、关节的运动原理和行进步态.搭建了试验台,通过高速摄像等实验手段,验证了机器人步态规划的合理性.为气动柔性关节六足机器人在实践中的应用,提供了理论与实践基础.     

一种多关节履带式机器人自主越障运动规划

为提高矿难搜索机器人的自主运动能力,建立了其翻越垂直障碍的运动学模型,并且对其翻越垂直障碍的能力进行了分析,提出了一种基于嵌套人工鱼群算法的机器人自主越障运动规划方法.采用三层四组人工鱼群算法削弱4个自变量之间的耦合作用,并且利用一种快速随机搜索方法缩小关节角度的搜索范围,从而实现了满足关节角度变化最小这一优化指标的机器人越障逆运动学求解的要求.MATLAB的仿真实验证明:该方法相对传统算法可以利用更少的人工鱼数目在较少的代数内有效地得到机器人越障中每一步骤的最优关节角度值,从而为机器人的控制提供依据.利用仿真结果对机器人进行了双单元模式的自主越障运动规划实验,实验结果表明机器人能够顺利实现越障.     

具有被动摆臂的四履带机器人越障性能分析

针对主动摆臂形式的四履带机器人在越障过程中出现的摆臂控制复杂问题,采用简化机器人控制、增强机器人自适应能力的方法,通过引入柔性关节,在机器人机械本体上设计了一种被动摆臂机构,并从理论上对该被动摆臂式四履带机器人的越障能力进行了分析,用ADAMS软件对该机器人进行了运动学仿真.结果表明:当摆臂的下限摆角取φ1=-1.09rad时,机器人样机所能攀越的台阶高度为其极限越障高度(170.93mm),比同尺寸采用主动摆臂形式的四履带机器人提高了20mm,从而验证了该机构的可行性,为被动摆臂式四履带机器人的发展提供了基础.     

液压驱动六足机器人步行腿性能

针对所设计的一种基于液压驱动的六足机器人步行腿,建立了腿部运动学模型并分析了其足端运动空间。构建了腿部性能测试系统,设计了性能测试台控制系统硬件,并开发了运动测试软件。试验结果表明:腿部单关节的运动跟踪误差和关节协调运动跟踪误差均小于1°,关节动态特性满足频率0.5Hz时幅值衰减小于-3dB,验证了步行腿性能能够满足六足机器人的运动需求。     

基于FPA的新型气动柔性球关节的研究

驱动关节是机器人研究的重要基础部件,提出了一种基于气动柔性驱动器(FPA)的新型气动柔性球关节,本球关节采用三个FPA作为驱动器,通过向三个FPA输入不同的气压实现其旋转运动.由球关节力矩平衡的条件,建立了新型气动柔性球关节的数学模型,根据并联机构位置逆解易求的特点和BP神经网络的特性,建立了合适的BP神经网络模型,求解了新型气动柔性球关节的位置正解,最后通过MATLAB仿真验证了新型气动柔性球关节模型的准确性.     

六足步行机器人的步态规划及运动学分析

主要对六足步行机器人进行步态规划和运动学建模,规划了六足步行机器人的直行步态和足端轨迹.基于MATLAB软件建立机器人的逆运动学模型,生成机器人步行时各个驱动关节的变化曲线.通过在六足步行机器人的实验平台上模拟机器人的实际运动状态得到机器人步行时的轨迹曲线,分析了机器人的步行性能,验证了步态规划的可行性和运动学方程的正确性.     

基于闭环矢量法的六足机器人关节位姿研究

设计出了一种新型的三自由度缩放式的并联机构,并把该机构作为六足步行机器人的腿机构.采用闭环矢量法求解腿机构运动位置的正运动学问题,用MATLAB软件编写函数来求解腿机构的最大腿行程和最大抬跨高度/研究表明,原动件较小的位移可以获得较大的足端运动空间.     

腿履复合机器人自主越障分析与动作规划

本文提出基于质心坐标公式和机器人运动学的质心运动学模型,通过此模型可获取机器人在越障过程中质心变化情况,从而分析机器人越障性能,自主规划机器人越障动作.并且建立稳定裕度角及俯仰角度与障碍高度关系的求解方法,在此基础上,进行基于最大稳定裕度的越障动作规划.最后通过实验验证了基于质心运动学模型和稳定裕度的自主越障性能分析及动作规划的正确性.     

串联式履带机器人越障性能研究

为应对在自然灾害、煤矿井下事故发生后的搜救工作,提出了一种新型的串联式履带搜救机器人结构,该机器人由3个双履带机器人模块通过铰接连接构成.通过双履带机器人模块的俯仰改变机器人的质心位置,从运动学的角度研究该机器人攀爬台阶的过程及性能,采用数值计算方法分析该机器人的越障高度与仰角、关节角的关系.通过与双履带机器人最大越障高度比较,验证了串联式履带机器人具有较强的攀爬台阶能力.     

运动状态下柔性关节机器人振动环境预测

为研究柔性关节机器人运动状态下的振动特性,提出一种机构振动环境预测新方法. 以3自由度单臂机器人系统为研究对象,将结构中的行波理论与机器人关节旋转变换矩阵相结合,通过各结点力平衡及位移边界条件,建立机构系统在运动状态下的环境预测模型. 对运动状态下的机器人系统进行振动实验,结果表明本文方法可行.     

助老助残四足/两足可重构并联腿步行机器人运动学建模与仿真

结合并联腿步行机器人和可重构机器人的优点,设计了一种新型的助老助残四足/两足可重构并联腿步行机器人,进行了该机器人的构型设计。以四足并联腿步行机器人为研究对象,根据步行机器人整机的结构特征和基本并联腿的运动特征,将整机的运动学问题转化为单个并联腿的运动学问题,建立了机器人整机系统的完整的运动学模型,进行了机器人在爬行步态下的仿真分析,得出了驱动器杆长的仿真曲线。该项研究为四足并联腿步行机器人整机的动力学分析和控制奠定了一定的基础。     

六足机器人横向行走步态研究

以一种新型的多自由度六足机器人机构为对象,研究其横向行走步态,规划一种横向行走的三角步态,并完成了足端轨迹规划和稳定性分析.最后采用Pro/E和ADAMS等软件相结合的方式对六足机器人的样机模型进行运动学仿真与分析,结果证实了该横向行走步态的可行性,为接下来的物理样机实验提供了依据.     

Design and control of integrated pneumatic dexterous robot finger

Based on flexible pneumatic actuator (FPA), bending joint and side-sway joint, a new kind of pneumatic dexterous robot finger was developed. The finger is equipped with one five-component force sensor and four contactless magnetic rotary encoders. Mechanical parts and FPAs are integrated, which reduces the overall size of the finger. Driven by FPA directly, the joint output torque is more accurate and the friction and vibration can be effectively reduced. An improved adaptive genetic algorithm (IAGA) was adopted to solve the inverse kinematics problem of the redundant finger. The statics of the finger was analyzed and the relation between fingertip force and joint torque was built. Finally, the finger force/position control principle was introduced. Tracking experiments of fingertip force/position were carried out. The experimental results show that the fingertip position tracking error is within ±1 mm and the fingertip force tracking error is within ±0.4 N. It is also concluded from the theoretical and experimental results that the finger can be controlled and it has a good application prospect.     

气动三自由度并联机器人设计与仿真分析

为了设计一种具有良好运动学性能的并联机器人,以基于气浮无摩擦缸驱动的3-UPU并联机器人为研究对象,对其进行运动学建模以及工作空间、动力学仿真分析。通过三维建模软件设计3-UPU并联机器人物理模型;根据机器人几何关系推导其运动学方程并基于数值解法得到该机器人的工作空间;采用遍历法求解机器人各支链旋转角度范围,从而得到该机器人在其工作空间的最大输出力分布情况。仿真结果表明,该机器人具有良好的运动学性能。     

Development and control of flexible pneumatic wall-climbing robot

A new kind of flexible pneumatic wall-climbing robot, named WALKMAN-I, was proposed. WALKMAN-I is basically composed of a flexible pneumatic actuator (FPA), a flexible pneumatic spherical joint and six suction cups. It has many characteristics of low-cost, lightweight, simple structure and good flexibility. Its operating principle was introduced. Then three basic locomotion modes, which are linear motion, curvilinear motion and crossing the orthogonal planes, were presented. The safety conditions of WALKMAN-I were discussed and built. Finally, the control system was designed and experiments were carried out. Experimental results show that WALKMAN-I is able to climb on the vertical wall surface along a straight line or a curved path, and has the ability of crossing orthogonal planes and obstacles. The maximum rotation angle reaches 90°, the maximum velocity reaches 5 mm/s, and the rotation angle and the moving velocity of WALKMAN-I can be easily controlled.     

六边形六足机器人障碍自识别步态规划

六足机器人在控制灵活的同时,也存在步态规划策略制定困难等问题,尤其当其遇到不可逾越的障碍时,这一问题更为严重.针对此问题,提出了一种障碍自识别步态规划策略.此策略以正逆运动学解算为基础并建立D-H坐标系,进而对每条腿进行齐次坐标变换,并根据足末端力反馈来自动识别障碍做出旋转和越障步态规划.通过ADAMS的仿真结果分析,验证了该策略的正确性和普适性.     

Research on robot measuring system for spacesuit joint mobility

Presents the principles of the passive robot system for measuring spacesuit joint mobility. The model of passive robot is developed. Based on its special mechanical structure, the model of the flexible IVA （intravehicular activity） spacesuit＇ s arm according to robotics is built. The inverse kinematics of a spacesuit＇ s arm based on artificial neural networks is put forward. Also, the self-learning algorithm of the network architecture based on generalization ability is developed, which ensures that the network architecture is designed and optimized. The joint mobility of an actual IVA spacesuit is measured. Experimental results prove that the theoretical system is correct and available, and the measuring system has high preciseness.     

基于摩擦补偿的柔性关节机器人分级滑模控制

针对柔性关节机器人中存在的非线性摩擦问题,提出一种基于摩擦补偿的柔性关节机器人分级滑模控制方法。首先,通过线性化参数的方法对柔性关节机器人受到的摩擦进行建模,并对模型中未知参数设计自适应律以实现摩擦的估计;然后,针对摩擦模型的误差,进一步设计观测器进行估计,结合摩擦的自适应和模型误差估计实现对摩擦的补偿;最后,利用电机侧和关节侧的位置误差和速度误差设计一级滑模面,再根据一级滑模面设计二级滑模面,从而得到分级滑模控制器,进一步实现柔性关节机器人的位置轨迹跟踪控制。通过Lyapunov函数证明了机器人关节轨迹跟踪误差的收敛性。仿真结果表明：该控制方法结合参数自适应和模型误差观测器可以有效地对摩擦进行补偿,在有限时间内实现柔性关节机器人的位置轨迹对期望位置轨迹的跟踪。     

基于MATLAB的六轴机械臂运动学分析与验证

针对Hyundai-Hs220型六轴机械臂,采用改进D-H建模法建构机器人关节坐标系,分析并推导了正逆运动学方程,基于MATLAB平台及机器人工具箱在仿真环境下构建机器人模型,分别对正逆运动学方程进行仿真和计算,并验证了运动学方程的正确性。在关节空间内进行轨迹规划的实验,得到了各关节连续平稳的运动曲线,为后续进行轨迹规划控制奠定了理论基础。