可重构模块化蛇形机器人研制及多运动模态研究

蛇形机器人通过改变自身的形状可以在复杂的地形环境中有效地运动,然而传统的一体化设计面临着任务搜救效率低、机器人本体维修困难、机体灵活性差等挑战性问题.针对这些问题,本文研制了新一代可重构模块化蛇形机器人并研究了相应的多模态运动方法.具体而言,新型蛇形机器人可以由任意多个模块通过连接机构重构而成,每个模块都是集成了驱动、控制、通信、电源于一体的可独立运动的单元,模块之间的连接机构采用新型的便于切换的勾爪-插销机构.另外,本文针对该可重构模块化蛇形机器人进行了多模态运动方法研究,具体包括轮式机器人运动模态、平面蜿蜒模态、侧向蜿蜒模态、行波模态、攀爬模态、自主拆分模态等,并具体分析了攀爬运动及单模块转弯运动的性能.最后,基于自主研发的可重构模块化蛇形机器人样机对每种运动模态进行了实验验证.     

奇妙的蛇形机器人

引言 罗尔斯罗伊斯公司在为英国核潜艇建造并保养压力水反应堆时,遇到一件麻烦事。大家都知道,核反应堆的密封要求是很严格的,一般情况下,不允许打开密封舱,这就给检测、维修带来了一系列问题。在核反应堆的挡水壁上只留有一个小孔用来与反应堆堆芯压力容器进行接触。     

一种具有三维运动能力的蛇形机器人的研究

分析了生物蛇的3种典型运动模式,介绍了研制出的具有三维运动能力的蛇形机器人,实现了生物蛇的3种典型运动模式．     

仿生蛇形机器人的设计及研究

对蛇的身体结构和运动形态进行了分析,掌握了蛇的运动模型,分析了蛇在蜿蜒运动过程中的受力情况。通过对蛇行运动的研究,结合结构设计、控制系统设计等,设计一条13关节的仿生机器蛇,实现蜿蜒前进、转弯、蜷缩、抬头等动作。并对仿生蛇的设计提出一些看法,结合实际,对其未来发展提出建议。     

多模块蛇形管道打磨机器人的设计与分析

设计了一种由多个模块构成的蛇形管道打磨机器人,各个模块之间可以快速拆装,其中驱动模块为机器人在管道中前行提供动力牵引.该机器人可以主动适应内径为250 mm～450 mm的直管道、弯管道及其组合管道,可以在管道内部实现以打磨作业为主的作业功能.同时,提出了适用于蛇形管道打磨机器人自身过弯管的速度模型,通过对机器人的力学分析得出各个模块之间相互作用力的计算方法及影响机器人在管道内部转体运动发生的因素.在ADAMS软件中进行了虚拟样机仿真验证,初步验证了蛇形管道打磨机器人的通过性并得出机器人在管道内部前行的最佳匹配.最后,搭建了实验平台,制作了机器人真实样机,验证了机器人对内径为250 mm～450 mm管道的适应性、通过性及作业效果.     

形状记忆合金驱动的蛇形机器人运动仿真研究

基于Serpenoid 曲线建立了蛇形机器人行波运动和攀爬运动的运动学、动力学模型,根据模型提出一种具有万向节功能的pitch-roll 模块,利用形状记忆合金驱动器具有结构小和只受温度变化影响两大特点建立了蛇形机器人关节。应用MSC/ADAMS 虚拟样机软件对基于形状记忆合金驱动蛇形机器人进行行波运动和攀爬运动的动力学分析,并对仿真过程中遇到问题提供了解决办法。模型仿真效果非常理想,完全达到设计要求,为下一步研制物理样机提供了理论指导,也为其他仿生机器人的研究提供了参考。     

基于耦合驱动蛇形机器人机构设计与抬起的方法

文中设计了模块化的新型蛇形机器人关节单元．该单元具有三个自由度,其中摆动和俯仰自由度由耦合机构驱动来获得较大的力矩和活动空间．由该单元组成的蛇形机器人具有很强的驱动能力,能够抬起较多的单元．针对蛇形机器人的特点,给出了耦合机构的设计原则．对蛇形机器人抬起方法作了分析,得出采用适当规划方法能够抬起的最大单元数量是直接抬起的最大单元数量的平方关系的结论,并在此基础上分析了最大关节角对机器人抬起的影响,最后结合实例验证了上面分析结果．     

基于乐理的蛇形机器人控制方法研究

根据生物蛇和蛇形机器人的结构及运动特点,提出了基于乐理的蛇形机器人控制方法,定义了乐理的符号、规则与蛇形机器人控制过程的对应关系,编写了蜿蜒运动步态谱.“勘查者—I”蛇形机器人上实现了蜿蜒运动的控制. 给出了今后的研究方向．     

一种基于空间连杆机构的蛇形机器人

提出了一种基于空间连杆机构的蛇形机器人模型．该蛇形机器人各骨节间通过万向铰链连接,每节安装两个微型伺服电机,电机带动曲柄转动,曲柄经两端为球铰的连杆驱动另一骨节运动．通过两个电机的耦合驱动,该蛇形机器人能实现蜿蜒爬行、转向、抬头等多种运动方式．文中给出了该空间连杆机构的运动学解,基于Serpenoid曲线计算得到了实际控制所需的关节转角和步数,并编程实现了上述运动方式．     

蛇形机器人蜿蜒运动控制分析

针对蛇形机器人的蜿蜒运动控制,首先分析了关节角度约束对运动控制函数参数取值的限制,确定了满足机械结构的运动控制参数范围;之后在Adams仿真环境下,建立蛇形机器人的三维虚拟运动模型,进行蜿蜒运动仿真,通过分析幅值控制参数对蛇形机器人弯曲度、运动速度和运动轨迹偏移的影响,提出了调整幅值参数的方法;实验结果表明,调整方法的有效性,从而实现蛇形机器人蜿蜒运动控制的优化。     

Virtual Chassis for Snake Robots: Definition and Applications

Abstract

Intuitively representing the motion of a snake robot is difficult. This is in part because the internal shape changes that the robot uses to locomote involve the entire body and no single point on the robot intuitively represents the robot’s pose at all times. To address this issue, we present a method of defining body coordinate frames that departs from the typical convention of rigidly fixing a frame to a link on the robot, and instead define a body frame that is based on the averaged position of all of the robot’s links. This averaged frame serves as a virtual chassis that effectively isolates the internal motion of the robot’s shape changes from the external motion, due to the robot’s interaction with its surroundings. This separation of motion allows much simpler models—such as those derived for wheeled vehicles—to accurately approximate the motion of the robot as it moves through the world. We demonstrate the practical advantages of using the virtual chassis body frame by estimating the pitch and roll of a snake robot undergoing dynamic motion by fusing readings from its internal encoders, gyros, and accelerometers with an extended Kalman filter.     

模块化机器人拓扑重构规划研究

模块化可重构机器人由若干个相同的机器人模块组合装配而成,能够重构成不同的几何形态和结构,从而适应不同的作业任务要求。本论文主要对树状拓扑结构的模块化机器人的重构规划问题进行了研究,定义了构型重构的基本概念,提出了分支重构规划算法。这类模块化可重构机器人可以用树状拓扑结构图来描述。机器人的拓扑结构从自由树转化为有根树,然后分解为若干个分支结构,并按一定顺序排列,通过对各个分支结构的逐步比较和操作,完成重构过程。最后选定模块数目,进行了重构规划过程的仿真计算。结果表明,文中所述算法对于树状拓扑结构的模块化机器人的重构规划问题是有效的。     

Modular Reconfigurable Robots in Space Applications

Robots used for tasks in space have strict requirements. Modular reconfigurable robots have a variety of attributes that are well suited to these conditions, including: serving as many different tools at once (saving weight), packing into compressed forms (saving space) and having high levels of redundancy (increasing robustness). In addition, self-reconfigurable systems can self-repair and adapt to changing or unanticipated conditions. This paper will describe such a self-reconfigurable modular robot: PolyBot. PolyBot has significant potential in the space manipulation and surface mobility class of applications for space.     

Kinematic Design of Modular Reconfigurable In-Parallel Robots

This paper describes the kinematic design issues of a modular reconfigurable parallel robot. Two types of robot modules, the fixed-dimension joint modules and the variable dimension link modules that can be custom-designed rapidly, are used to facilitate the complex design effort. Module selection and robot configuration enumeration are discussed. The kinematic analysis of modular parallel robots is based on a local frame representation of the Product-Of-Exponentials (POE) formula. Forward displacement analysis algorithms and a workspace visualization scheme are presented for a class of three-legged modular parallel robots. Two three-legged reconfigurable parallel robot configurations are actually built according to the proposed design procedure.     

自重构机器人的自组织变形

本文深入研究了自重构机器人实现自组织变形的基本方法．首先根据自重构机器人系统结构的基本特征提出一种描述模型,可以对各类模块化自重构机器人的拓扑结构进行统一描述．然后提出一种建立在全离散的局部智能基础上的自重构机器人的自组织变形策略,通过建立适当的模块运动规则和规则进化使机器人由局部自主运动产生全局系统自组织的结果．     

A three-dimensional self-reconfigurable system

A three-dimensional (3D) self-reconfigurable system made of identical units is proposed. Each unit has six arms on the surface of its base cube which can connect to neighboring units mechanically. By the connection, a cubic-lattice structure is formed. A unit can carry its neighbor unit from one node of the lattice to another by rotating its arm by 90°. Repeating this movement, the structure can reconfigure itself to realize various 3D structures. The general process of reconfiguration was proposed for this system. A prototype system including six units was made and basic motions of self- reconfiguration were verified.     

Center-configuration selection technique for the reconfigurable modular robot

The reconfigurable modular robot has an enormous amount of configurations to adapt to various environments and tasks. It greatly increases the complexity of configuration research in that the possible configuration number of the reconfigurable modular robot grows exponentially with the increase of module number. Being the initial configuration or the basic configuration of the reconfigurable robot, the center-configuration plays a crucial role in system’s actual applications. In this paper, a novel center-configuration selection technique has been proposed for reconfigurable modular robots. Based on the similarities between configurations’ transformation and graph theory, configuration network has been applied in the modeling and analyzing of these configurations. Configuration adjacency matrix, reconfirmation cost matrix, and center-configuration coefficient have been defined for the configuration network correspondingly. Being similar to the center-location problem, the center configuration has been selected according to the largest center-configuration coefficient. As an example of the reconfigurable robotic system, AMOEBA-I, a three-module reconfigurable robot with nine configurations which was developed in Shenyang Institute of Automation (SIA), Chinese Academy of Sciences (CAS), has been introduced briefly. According to the numerical simulation result, the center-configuration coefficients for these nine configurations have been calculated and compared to validate this technique. Lastly, a center-configuration selection example is provided with consideration of the adjacent configurations. The center-configuration selection technique proposed in this paper is also available to other reconfigurable modular robots. Supported in part by the National High-Technology 863 Program (Grant No. 2001AA422360), the Chinese Academy of Sciences Advanced Manufacturing Technology R&D Base Fund (Grant Nos. A050104 and F050108), and the GUCAS-BHP Billiton Scholarship     

可重构模块机器人倾翻稳定性研究

介绍了一种可重构模块机器人,它可以通过构形的变化来提高系统的稳定性和抗倾翻能力．该机器人由3个模块组成,采用履带驱动,具有直线、三角、并排3种对称构形．在对移动机器人的倾翻因素和倾翻对策等问题进行分析的基础上,提出稳定锥方法,用倾翻性能指数对移动机器人的静、动态稳定性进行综合判定. 讨论了变形机器人3种对称构形在仰俯、偏转、倾斜等干扰组合作用下的倾翻性能指数和综合稳定性,并进行了仿真实验和非结构环境实验．     

模块化可重构机器人动力学研究进展

模块化可重构机器人由于其构型多变,运动形式丰富等特点,可以在非结构化环境或未知环境中执行任务,在最近几年迅速成为机器人研究领域的前沿和热点. 模块化可重构机器人在军事、医疗、教育等众多工程领域具有广泛的应用前景,其典型代表包括仿生多足模块化机器人、模块化可重构机械臂、晶格式模块化机器人等. 模块化可重构机器人丰富的构型设计、多样的连接特征、不断拓展的应用范围,给动力学建模与控制带来了很多挑战和机遇. 本文首先阐述了模块化可重构机器人的研究背景和意义,并概述了其构型分类与设计、构型描述与运动学建模方法.随后,本文系统回顾了模块化可重构机器人动力学研究中相关问题的最新进展,包括：(1)系统整体动力学建模;(2)结合面以及对接机构动力学建模;(3)基于动力学模型的控制方法. 本文最后提出了模块化可重构机器人动力学研究中若干值得关注的问题.