超磁仿生鱼快速起动的控制和设计

本文首先对自然界鱼类的基本构造和工作原理进行仿生.以合金薄板,贴在该薄板的超磁致伸缩材料和外磁场分别模拟鱼尾骨架,鱼体肌肉和控制鱼体摆动的神经.建立起一个力学模型和一种计算方法.通过数值分析,揭示了仿生机器鱼起动过程中最佳模式是从低阶模态到高阶模态的迅速过渡.这样可以通过控制外磁场(强度和频率),从而实现控制仿生机器鱼从静止快速起动目的.研究成果为仿生机器鱼的设计提供依据和技术.     

仿生双尾推进的试验研究

针对单尾鳍摆动推进存在的机器鱼摇艏问题,理论分析了仿鱼尾鳍摆动过程中推力系数和侧向力系数的脉动情况,设计出仿生双尾推进器,并将其应用于小水线面双体船,开发出新型仿生双尾推进水上试验平台,同时,根据鱼类高效推进的机理,分析了仿生双尾推进器尾涡的相互影响.实验研究结果表明仿生双尾推进的尾鳍摆动频率和摆幅对推进性能影响较大,其中幅值的影响更加明显,月牙形尾鳍具有更高的推进效率.仿生双尾利用并发挥仿鱼推进的优点,具有良好的推进和操纵性能.     

仿生机器人研究进展及仿生机构研究

以自然界仿生对象为基础,介绍了国内外现有的5类仿生机器人——仿飞行生物机器人、仿陆地生物机器人、仿水下生物机器人、仿水陆两栖生物机器人及仿人机器人的研究现状及最新进展,详细阐述了每种仿生对象的特点,仿生机器人的基本结构、性能特征及应用前景.在分析仿生机器人机构特性的基础上,提出并阐述了仿生机器人仿生机构的冗余驱动原理、欠驱动仿生原理、变胞结构设计、运动稳定性设计、高承载自重比设计,以及新型仿生材料设计等重要研究内容.     

仿胸鳍推进系统的水动力实验研究

为了研究仿生力学在非定常流动中的应用,针对刚性胸鳍建立了二自由度运动模型,设计了实现二自由度运动模式的仿胸鳍操纵系统的实验装置.胸鳍推进系统主体由两个伺服电机控制系统组成,能够产生限定范围内的各种预定的摇翼运动和前后拍翼运动的组合.研究耦合运动的相位差、摆动频率、滚转幅值、拍动幅值、滚转偏角、拍翼偏角等参数对胸鳍水动力性能的影响,得到各水动力系数在一个周期内随时间的变化趋势.实验结果为研发高机动仿生水下机器人奠定了技术基础.     

具有单目嵌入式视觉的仿人机器人分层控制系统设计

针对仿人机器人的特点,设计了一个具有单目视觉的仿人机器人分层控制系统.通过研究机器人跑步运动的基本原理,在机器人跑步运动中引入手臂摆动姿态,通过最优化跑步过程的总体能效进行步态规划.最后根据FIRA比赛规则,决策系统通过视觉反馈和姿态反馈信息,调用底层动作库,进行短跑运动规划.实验结果表明,该仿人机器人的控制方式效果良好,适合参加竞技类比赛.     

RRRobot的非完整运动规划

六足机器人RHex(Hexapod Robot)在平坦的地形上具有良好的运动性能,但在崎岖的地形上运动时,可能会被困住而无法运动.利用机器人腿的摆动可以克服和摆脱这种困境.为此,将六足机器人模型简化为RRRobot(Rocking and Rolling Robot)模型,在系统角动量为零的情况下,动力学方程降阶为非完整形式运动学方程.系统的运动控制问题可转化为无漂移系统的非完整运动规划问题.通过对腿的摆动设计从而使机器人本体达到转动的期望位置.数值仿真结果表明该运动规划对转动模型机器人是有效的.     

以人体运动为参照的仿人机器人设计参考准则

为解决仿人机器人设计以经验设计或运动仿真验证为主,尚不存在以人类自身为参照,考虑走跑跳等多种运动行为要求下的初始设计方法问题,对人体多种运动行为进行运动捕捉与足底力测量,选择人体运动过程中关节力矩和关节功率作指标表征仿人机器人应达到的极限驱动能力。利用PhaseSpace三维运动捕捉系统和自行研制的至少5倍于体重的大量程集成化测力鞋系统对6名成年男性进行了走跑跳等运动行为的运动捕捉与足底力的测量实验,根据得到的149组实验数据,分析总结人体走、跑、跳等运动行为特征;采用牛顿-欧拉法对人体下肢机构进行逆动力学计算,用多元非线性拟合法拟合计算结果得到了各关节最大驱动力矩及功率方程式。综合归纳给出了不同运动方式下仿人机器人设计参考准则,为走跑跳等多运动方式仿人机器人的设计提供了参考。     

水下自重构机器人游动构形的稳定性分析

针对水下自重构机器人游动构形的稳定性问题,本文提出了以恢复力矩作为量化参数的水下自重构机器人游动构形的稳定性判据。考虑到水下自重构机器人是由相同模块组成,提出先计算各个模块的恢复力矩,然后以参考模块为基准进行叠加。以水下蛇形构形的游动为例,介绍了恢复力矩的计算方法,并分析了关节摆动对恢复力矩的影响。分析结果表明:该方法可以准确、高效地描述水下自重构机器人游动构形的稳定性。     

仿袋鼠单腿跳跃机器人动力学建模与仿

根据自然界中袋鼠的骨骼结构设计了仿袋鼠单腿跳跃机器人的机构模型．其机构设计充分利用产生被动动力学的机械结构来减少运动中的能耗．仿袋鼠单腿跳跃机器人由关节腿、身体和尾巴三部分组成,其中关节腿由两连杆、旋转副及扭簧连接而成．采用拉格朗日方法建立支撑相和飞行相的动力学模型,并用MATLAB7．0对动力学模型进行了数值仿真,仿真结果验证了动力学模型的正确性,为后续的机器人结构优化设计和运动控制奠定了理论基础．     

仿袋鼠单腿跳跃机器人动力学建模与仿真

根据自然界中袋鼠的骨骼结构设计了仿袋鼠单腿跳跃机器人的机构模型．其机构设计充分利用产生被动动力学的机械结构来减少运动中的能耗．仿袋鼠单腿跳跃机器人由关节腿、身体和尾巴三部分组成,其中关节腿由两连杆、旋转副及扭簧连接而成．采用拉格朗日方法建立支撑相和飞行相的动力学模型,并用MATLAB7．0对动力学模型进行了数值仿真,仿真结果验证了动力学模型的正确性,为后续的机器人结构优化设计和运动控制奠定了理论基础．     

Dynamics model of underwater robot motion control in 6 degrees of frccdom

In order to analyze underwater robot control system dynamics features, a system 6-DOF dynamics model was founded. Underwater robot linear and nonlinear hydrodynamics were analyzed by Taylor series, based on general motion equation. Special control system motion equation was deduced by cluster of inertial items and non-inertial items. For program convenience, motion equation matrix format was presented. Experimental principles of screw propellers, rudders and wings were discussed. Experimental data least-square curve fitting, interpolation and their corresponding traditional equation helped us to obtain the whole system dynamic response procedure. A series of simulation experiments show that the dynamics model is correct and reliable. The model can provide theory proof for analyzing underwater robot motion control system physics characters and provide a mathematic model for traditional control method.     

一种全向滚动球形机器人的动力学分析与仿真

研究了一种全向滚动球形机器人的动力学建模、分析与仿真方法．根据机器人所受的非完整约束,建立了其运动学模型．根据机器人的结构特征和Lagrange-Routh方程,建立了其动力学模型,给出了消去未知Lagrange乘子的策略．得到了该球形机器人的完整动力学模型,即控制机器人运动的强耦合二阶微分方程组．建立了描述该球形机器人完整动力学方程的仿真模型．运动实例的动力学分析和仿真结果验证了该方法的有效性．     

Impacts of flexible obstructive working environment on dynamic performances of inspection robot for power transmission line

The rigid-flexible coupling dynamic modeling and simulation of an inspection robot were conducted to study the influences of the flexible obstructive working environment i.e. overhead transmission line on the robot＇s dynamic performance. First, considering the structure of the obstacles and symmetrical mechanism of the robot prototype, four basic subactions were abstracted to fulfill full-path kinematic tasks. Then, a multi-rigid-body dynamic model of the robot was built with Lagrange equation, whil~e a multi-flexible-body dynamic model of a span of lin~ was obtained by combining finite element method （FEM）, modal synthesis method and Lagrange equation. The two subsystem models were coupled under rolling along no-obstacle segment and overcoming obstacle poses, and these simulations of three subactions along different spans of line were performed in ADMAS. The simulation results, including the coupling vibration parameters and driving moment of joint motors, show the dynamic performances of the robot along ftexibile obstructive working path： in flexible obstructive working environment, the robot can fulfill the preset motion goals; it responses slower in more flexible path; the fluctuation of robot as well as driving moment of the corresponding joint in startup and brake region is greater than that in rigid environment; the fluctuation amplitude increases with increasing working environment flexibility.     

非平坦地形下移动机器人航迹推测方法研究

精确可靠的航迹推测是实现移动机器人自主导航的一个极为关键的环节.针对一个3 摇杆6驱动轮的移动机器人实验平台,本文提出了其在非平坦地形下的航迹推测方法.通过运动机构的分析,获得了移动机器人自身的位姿及运动参数.基于非平坦地形下运动机构间的刚体约束,建立了机器人的运动学模型.采用编码器、光纤陀螺仪和倾角传感器等测量机器人的动态参数信息,依据其运动学模型实现非平坦地形下的航迹推测、仿真,并分析验证了航迹推测方法的有效性,从而提高了移动机器人自主导航的定位精度.     

非平坦地形下移动机器人航迹推测方法研究

精确可靠的航迹推测是实现移动机器人自主导航的一个极为关键的环节.针对一个3摇杆6驱动轮的移动机器人实验平台,本文提出了其在非平坦地形下的航迹推测方法.通过运动机构的分析,获得了移动机器人自身的位姿及运动参数.基于非平坦地形下运动机构间的刚体约束,建立了机器人的运动学模型.采用编码器、光纤陀螺仪和倾角传感器等测量机器人的动态参数信息,依据其运动学模型实现非平坦地形下的航迹推测、仿真,并分析验证了航迹推测方法的有效性,从而提高了移动机器人自主导航的定位精度.     

水下超高速航行体的动力学建模及控制问题研究

水下超高速航行体的全部或大部分表面被空泡包裹,只有小部分与水接触.空泡的包裹一方面使航行体的阻力显著降低以达到高速航行的目的,另一方面又改变了航行体所受流体动力及其力矩的平衡方式,给超高速水下航行体的建模和控制带来了很大难度.该文采用空化器和尾部控制面联合控制方法,建立了水下超高速航行体纵向运动的动力学及控制模型.利用鲁棒性极点配置算法设计控制器并对该系统进行了仿真分析.分析结果表明,该控制方法能够明显改善超高速航行体系统的动态稳定性和可控品质,为进一步研究水下超高速航行体的动力学控制问题提供了一定的理论依据.     

管道内壁四足爬壁机器人的运动学与步态规划

研究用于检测气体绝缘金属封闭开关（GIS）内部的负压吸附管道内壁四足爬壁机器人. 分别对机器人的腿部和机身进行运动学分析,采用改进的牛顿迭代法解决机身正运动学求解困难的问题. 对机器人沿管道轴向和圆周方向的爬壁运动进行步态规划,提出运动过程零冲击的轨迹规划方法. 使用Adams进行运动仿真,并在四足爬壁机器人样机上进行水平和垂直管道的全方位爬壁实验. 结果表明：机器人的运动轨迹与所规划的步态一致,运动过程中速度与加速度无突变,运动平稳,无明显冲击,运动学模型的正确性和所规划步态的合理性得到验证. 在GIS管道的实际检测应用中,实现机器人在不同工况下的平稳爬壁运动与检测.     

水下机器人运动规划中多目标遗传算法的选择方法

为探讨多目标遗传算法的选择方法对优化结果的影响,本文以水下机器人为对象,对多目标遗传算法的选择方法进行了分析和研究,提出了变权重系数法并对选择公式进行了修正,以水下机器人“Twin-Buger”为对象,进行运动规划的算例验证了本文所提出方法的有效性和可行性。     

基于PMAC的SCARA机器人运动控制研究

利用PMAC作为运动控制器，对KLD-400型SCARA机器人进行了运动控制，在对机器人进行正逆运动学分析的基础上，借助于PMAC提供的循环缓冲区，利用VC＋＋6．0语言开发了运动控制软件，以实现机器人的示教、搬运、搭积木等控制，并可进行正逆运动学分析．