多仿生步态蛇形机器人分析和实现

为使传统的蛇形机器人具有在不同环境下运动的能力,研究开发了一种具有蜿蜒步态和直线步态的多步态蛇形机器人。对机器人的运动原理、机械结构和控制系统做了介绍,并进行了仿真分析和实验验证。蜿蜒步态采用经典的Serpentine曲线,直线步态采用单驻波以及多驻波蠕动步态。机器人由7个单元模块顺序连接,每个单元模块上各设计了一个摇摆关节和直动关节,单元模块配置独立的锂电池供电、无线通信、电机驱动电路。整个单元模块在机械和电气上完全模块化。仿真中对影响机器人构型和前进速度等参数进行了分析和确定。实验表明,机器人运行可靠、软件控制直观方便,具有在平地上进行蜿蜒运动和直线运动的能力以及在狭窄的管道中进行直线运动的能力。     

蛇形机器人伸缩运动仿生研究

对生物蛇在不同环境中的运动步态进行了观察与试验,试验发现蛇具备垂直平面内的伸缩运动功能。详尽分析了水平面内和垂直面内伸缩运动的运动机理、运动特点和它们所能适应的特殊环境。分别建立了两种伸缩运动的数学模型,并对数学模型进行了运动学分析。根据蛇的伸缩运动机理,设计了蛇形机器人的仿生机械结构。最后根据数学模型,对蛇形机器人进行了伸缩运动试验,验证了这两种运动步态的可实现性。     

基于神经步进激励机制的蛇形机器人环境自适应仿生控制策略

针对已有的蛇形机器人在环境适应过程中步态调整策略复杂,参数调整时间长的问题,引入神经步进激励机制,提出一种基于多模态中枢模式发生器模型的简单快速的仿生控制策略。构建能够产生蛇形机器人多种步态的多模态中枢模式发生器模型,并基于仿生学原理提出神经步进激励机制。通过对蛇形机器人三种主要步态的运动学分析,得出其运动性能与控制参数之间的关系,利用神经步进激励机制并结合蛇形机器人自身的运动特性建立蛇形机器人环境自适应仿生控制策略。通过仿真将该策略与传统蛇形机器人控制方法进行对比,并利用试验验证了该策略的有效性。     

水质检测蛇形机器人设计及稳定性分析

为了对水产养殖定期监控和检测，保证水质安全，减小人工成本，提高工作效率，让水产养殖监测更便捷、更智能，研发出一种新型水下水质检测蛇形机器人。机器人主要由伸缩机构、移动机构、信号采集传输机构和控制机构组成，搭载水质监测传感器，可以在复杂环境下对水质、水环境信息进行实时采集。首先通过Solidworks软件对蛇形机器人主要机构三维建模，完成沉浮结构设计，其次通过Solidworks软件对机器人的重心和浮心分析并对水下蛇形机器人的稳定性进行了分析，确保伸缩单元上浮和下沉并实现俯仰和蜿蜒运动。为此，加工出样机，并进行稳定性运动试验，通过俯仰、调姿、上浮试验表明：在3km传输距离内，蛇形机器人各关节没有发生倾覆运动，上浮速度和下潜速度移动速度为0～1m/s，根据工作时的角速度、速度、俯仰角轨迹曲线,也表明该水质检测巡航蛇形机器人能实现多点可追踪稳定姿态工作。     

蛇形机器人蜿蜒运动的摩擦机理及推进条件

针对带有从动轮的蛇形机器人,考虑实际结构中从动轮在蛇形机器人关节连杆上的安装位置,建立蛇形机器人蜿蜒运动的动力学模型。提出一种库伦-粘滞混合摩擦力模型,整体的库伦摩擦力特性和临界点处的粘滞摩擦力特性,避免了库伦摩擦力模型本身的非光滑性,以提高动力学模型的求解效率与计算稳定性。基于改进的动力学与摩擦力模型,利用摩擦系数比来表征法向与切向摩擦力的各向异性程度,通过对蜿蜒运动的仿真分析,讨论了摩擦系数比对前向运动速度与推进效率的影响规律,并对运动过程中蛇形机器人各个关节模块的速度和摩擦力变化进行了分析,明确了蛇形机器人蜿蜒运动的摩擦学机理,解释了蛇的蜿蜒抬起运动能够有效减少摩擦阻力而适用于高速运动的原因。最后通过带从动轮的蛇形机器人样机实验,对实现蜿蜒运动的摩擦学推进条件进行了验证。研究对于实现蛇形机器人的结构优化,步态规划与运动控制具有重要的理论意义与实际指导价值。     

三维蛇形机器人巡视者Ⅱ的开发

蛇形机器人具有比传统移动机器人更强的运动能力,为实现机器人的三维运动而开发的蛇形机器人巡视者Ⅱ是一个具有强驱动力和高机动性的三维蛇形机器人.它由具有3自由度的模块化单元组成,该单元具有俯仰、偏航和回转3自由度,单元的俯仰和偏航运动是通过由3个伞齿轮组成的差速机构耦合驱动.该单元的圆柱形外壳周围安装有一系列的被动轮来增加机器人运动灵活性.对蛇形机器人模块单元的自由度作了详细分析,并基于机器人的运动机动性设计三维蛇形机器人的单元结构.给出蛇形机器人的控制系统结构,并对耦合变量进行解耦.将蛇形机器人的蜿蜒运动和扭转运动两种基本步伐应用到巡视者Ⅱ上,试验结果证明了该三维蛇形机器人具有很强的机动性和运动能力.     

水陆两栖六足机器人的设计与性能评估

为提高机器人两栖环境下的运动性能,同时降低其运动机构在水陆间切换的机械复杂性与控制难度,提出了一款复合运动肢的水陆两栖六足机器人。对机器人进行陆地和水下的运动规划,解决了机器人适应不同坡度斜坡地形的稳定性问题;通过配置矢量推进器的位姿,实现了机器人多自由度的水下运动。ADAMS下机器人爬行运动的仿真结果在验证机械设计合理的前提下也表明机器人在不同坡度的斜坡爬行具有较好的稳定性。为进一步评估机器人的运动性能,搭建了机器人样机,在测试机器人斜坡爬行性能的同时,验证了机器人在水下可实现包括直行、旋转、上浮和下潜的多自由度运动。实验结果表明,机器人在陆地与水下均具有良好的运动性能。     

基于51单片机的蛇形机器人水平蜿蜒游动控制

蛇形机器人之所以具有超强的越障能力,是源于其自重构特性。所谓自重构特性即通过体态变形或重组改变结构形状来适应各种地形地貌的地理环境,进行游走和攀附运动。依据蛇形机器人贴近地形多冗余、多自由度的特点进行动力配置,参照Serpeniod曲线行波步态理论,针对研制的PR联结的16节蛇形机器人实体,选用51单片机作为主控制器,完成了软硬件设计并调试,通过试验完成仿生蛇基于行为主义的水平蜿蜒游动控制。     

蛇形机器人避障的模糊神经网络控制

通过对蛇形机器人平面蜿蜒运动分析，利用模糊神经网络控制原理，对蛇形机器人的避障进行控制，实现了用蛇形机器人左右摆动电机为控制对象的蜿蜒避障运动，并给出了相应的仿真结果。     

一种蛇形机器人的直线蜿蜒运动规划

针对蛇形机器人的蜿蜒运动,分析了其运动机理,在虚拟样机软件中导入了蛇形机器人结构模型,建立了动力学方程,对蛇形机器人的运动轨迹进行了规划,分析了关节角度函数中转角幅值、摆动频率、相位差、比例因子以及静摩擦系数对其运动轨迹的影响。结果表明,通过合理设置关节角度函数中的各个参数,能保证蛇形机器人的运动具有基本的稳定性,且一定范围内的参数变化能实现最佳直线蜿蜒运动。最后,给出了各个关节的驱动力矩,为驱动机构的选型和物理样机的加工提供了理论依据。     

四旋翼两栖机器人姿态求解与控制

介绍了一种基于四旋翼驱动的两栖移动机器人。首先简要介绍了该机器人的机械结构与控制及传感系统,并介绍了机器人由四旋翼机构提供动力,并通过对4个旋翼的转动速度和方向进行配置,从而实现在空中飞行或在地面滚动的原理。然后,采用四元数方法对该两栖机器人进行了姿态求解,在此基础上,基于PID算法开发了机器人的飞行控制算法,并进行了相应的仿真。最后通过实验验证了该两栖机器人能够实现预期的两种运动模式,即空中飞行和地面滚动。该机器人提高了传统只具有单一运动模式的移动机器人的环境适应能力。     

自重构机器人变形过程运动学分析及越障仿真

自重构机器人根据任务环境的不同可实现自主变换构型。研究了直线蛇形变换为环形的重构过程,定义了单元模块的连接面与坐标变换矩阵,基于D-H方法推导并归纳了多模块由直线蛇形变换为环形的普适公式。利用多体动力学软件RecurDyn与MATLAB对模块构型变换中末端连接面的运动轨迹、速度以及加速度进行了仿真,验证了普适公式的有效性和正确性,准确地判断了末端连接面运动轨迹的变化与重构工作空间,估计了系统的稳定性,提高了对控制算法的认知程度。最后分析了环形构型的两种滚动步态,利用仿真验证了环形构型的越障能力。     

基于3-RSR并联机构的蛇形机器人本体构型设计与运动性能研究

蛇形机器人作为仿生机器人的重要分支,身形柔软轻小,运动灵活多变,具备很强的环境适应能力,在军事侦察、地质勘探、灾难救援等领域拥有非常广阔的发展前景。创新性地将并联机构、折纸机构和柔性铰链相结合,设计出一种灵活度高、结构紧凑的模块化蛇形机器人单元,并从数学模型、旋量分析等角度进行合理论证。自主完成硬件电路搭建、控制算法编写,设计蛇形机器人控制系统实现多路直流减速电机协同,并进行仿蛇运动的步态规划。加工制作蛇形机器人样机并完成了特定环境下机器人性能测试。     

蛇形机器人的机构设计及运动分析

蛇形机器人以其独特的身体结构和运动形式能够适应各种复杂环境。为了验证蛇形机器人的运动能力,设计了一种前进中可做周期性运动的蛇形机器人,重点讨论了其关节机构的设计和运动原理;通过建立蛇形机器人运动的数学模型,并结合其运动的周期性,详细分析了三连杆模型的运动步态特性。研究结果表明,三连杆运动步态提高了蛇形机器人的运动能力。     

蛇形机器人的研究与开发

阐述了蛇形机器人的运动原理及其开发；重点介绍了蛇形机器人系统设计中的机械结构、硬件电路和软件的设计。     

一种周期性运动蛇形机器人的运动规划及实验研究

设计完成了一种可作周期性前进运动的蛇形机器人,按照蛇形机器人运动要求,分析规划了其运动模式,对其关节角运动周期性等关键问题进行了较为深入地研究。最后,在建立蛇形机器人动力学模型的基础上,设计制作了蛇形机器人,并进行了实验研究。研究结果表明:所用规划方法为蛇形机器人的运动设计提供了一种成功的思路,其运动实现取得了良好的效果。     

蛇形机器人桥梁缆索攀爬步态控制研究

使用基于迭代链拟合与关键帧提取的蛇形机器人缆索攀爬步态生成方法,对一种正交关节蛇形机器人桥梁缆索攀爬步态控制进行了研究。该方法可建立蛇体骨干曲线定向位移与底层驱动器输入之间的联系,可将传统的骨干曲线法和控制函数法两种步态生成方法的优点有效地结合。使用该方法生成步态既可直观地得到骨干曲线的形状及运动趋势,又可得到以关节号和时间为变量的控制函数。该方法可有效提高蛇形机器人桥梁缆索攀爬的安全性、步态灵活性,同时,也便于控制底层驱动器。最后,通过实验验证了所提出方法的有效性。     

蛇形机器人的转弯和侧移运动研究

介绍了沈阳自动化研究所研制的蛇形机器人机械结构和控制结构。在分析蛇形曲线的基础上,提出幅值调整法、相位调整法和侧移调整法三种新方法,来处理蛇形机器人侧向滑动带来的方位偏转和完成蛇形机器人自主转弯控制,并给出几种方法的量化关系,建立动力学仿真模型进行了运动仿真。幅值调整法虽然使蛇形机器人转弯角度受到限制但却保证了运动的连续性和稳定性。相位调整法能够使蛇形机器人准确地完成转弯运动。侧移调整法能够实现蛇形机器人前进过程中的侧向位置调整,同时保证运动方向的准确性。将上述方法应用到蛇形机器人的控制中,用仿真和试验验证了以上方法的有效性。