阶梯攀爬服务机器人设计研究

为解决未安装电梯的低楼层货物搬运问题,设计了一种阶梯攀爬服务机器人样机,机器人由转向机构、变形轮、重心调节机构和底盘等组成。控制系统以飞思卡尔公司的16位单片机MC9S12XS128为控制器,以CodeWarrior IDE软件作为机器人软件开发平台,并着重对检测系统进行研究。机器人在真实环境下进行了爬越台阶、楼梯等越障实验,验证了其越障能力和环境适应能力。     

阶梯攀爬服务智能机器人重心调节系统设计

针对日常生活中未安装电梯的低楼层货物搬运问题,设计了一种阶梯攀爬服务智能机器人。重心系统是机器人实现爬楼梯动作的关键装置,设计的攀爬机器人采用重心调节系统,调节机器人的重心处于变形轮和后轮之间,使4个车轮在平地行进和攀爬楼梯时受力均匀。当机器人攀爬阶梯时,通过舵机带动连杆,使重心向前轮方向转移,增大前轮的抓地力,减少后轮受力,提高攀爬和搬运的平稳性。物理样机在实际台阶地形中进行了攀爬实验,实践验证了设计的机器人重心调节系统能够很好地解决机器人在平地、阶梯等不同环境下的行走及货物搬运问题。     

基于联合运动规划的可变形履带机器人在线翻越楼梯控制方法

楼梯是室内环境中最典型的障碍物之一,其对执行废墟搜救任务的机器人的机动性能提出较高要求。针对机器人翻越楼梯过程中的攀爬能力和稳定性问题,提出一种基于实时状态预测的在线翻越楼梯控制方法,该方法不仅适用于常规机器人,同样适用于异构模块化可变形履带机器人。在对机器人翻越过程中的步态进行联合运动规划基础之上,利用传感器完成楼梯参数辨识,同时对机器人翻越楼梯的基本过程进行阶段划分,并进行运动学和准静态力学分析,针对翻越楼梯过程的各阶段建立模块联合运动协调准则、防止倾翻准则和防止干涉准则,实现机器人翻越楼梯运动的实时在线预测控制。基于可变形履带机器人Amoeba-II平台的翻越楼梯试验验证基于联合运动规划的在线翻越楼梯控制方法的有效性。     

未知环境下的变形移动机器人路径规划

为提高移动机器人在未知环境下的避障能力及导航能力,提出了基于变形以及模糊算法的路径规划方法。变形移动机器人利用超声波传感器对静态未知环境进行检测,得到障碍物以及目标的位置信息,采取适当的变形措施以及在模糊控制的基础上调整自己的运动方向,最终实现避障和最优路径规划。仿真及实物实验结果表明,此方法能使变形机器人与环境实现交互调整,能使机器人通过变形以及避障结合的方式实现有效避障,提高了路径规划的优良性。     

关节式履带机器人爬楼梯动态稳定性分析

针对关节式履带机器人攀爬楼梯的动态稳定性问题,提出一种关节式履带机器人与楼梯台阶一点、两点或多点接触的动态稳定性准则判别方法。通过对机器人攀爬楼梯障碍过程的分析,考虑机器人的动作规划、质心惯性力、驱动轮和摆臂轮的惯性力矩、履带棱对楼梯接触作用的影响,建立越障关键姿态的动力学方程。基于机器人爬楼梯的不滑移充分必要条件,结合机器人坐标系中等效牵引力与等效支撑力的比值和履带与楼梯静摩擦因数之间的关系,得到在攀爬楼梯过程中机器人与楼梯台阶一点、两点、三点接触作用的动态稳定性判别准则,结果表明在爬楼梯过程中机器人与楼梯台阶两点、三点接触时易处于不稳定状态,数值仿真结果验证了该方法的有效性,为关节式履带机器人的动态稳定性判断提供理论依据。     

移动机器人运动过程中的障碍物识别避让

移动过程中障碍物识别是机器人导航和路径规划的重要基础,也是提升机器人智能化水平的重要体现。现以自行开发的四轮固定式移动机器人作为开发平台,基于图像不变矩和RBF神经网络实现智能移动机器人运动中的障碍物识别避让,并在对障碍物识别之前对其图像进行预处理。设计主旨在于对智能机器人在行进过程中通过摄像设备采集的图像进行预处理,采集障碍物物体边缘,并用神经网络对物体进行识别。对于特殊障碍物使用基于颜色的识别方式,以提高实时性,为机器人的避障以及地图构建等工作打好基础,为场馆移动导览机器人研发提供帮助和支持。     

核电站巡检履带机器人力学分析与运动规划

履带机器人具有强越障的结构特点,能够在核电站中代替人进行高频次巡检等任务,而履带机器人的输出特性和越障过程的姿态是决定机器人越障能力的两个关键因素。针对核电站复杂环境的越障需求,设计了一种双摆臂履带机器人,以阶梯和斜坡等障碍物作为分析障碍物,建立了双摆臂履带机器人的输出力矩计算模型,以楼梯作为核电站的关键障碍物,进行了双摆臂履带机器人的越障姿态规划,并在双摆臂履带机器人平台上进行了实验测试,验证了履带机器人的越障能力。     

基于可变形车轮结构的阶梯攀爬机器人行走机构的设计与研究

为解决在未安装电梯楼层和阶梯环境下货物运输的问题,成功研制了一种采用可变形车轮作为行走机构的智能阶梯攀爬机器人。该车轮采用3组相同的曲柄摇块机构来实现轮毂变形组合,从而达到攀爬连续阶梯障碍的目的。首先,详细阐述了阶梯攀爬机器人行走机构的设计过程;其次,通过仿真研究,分析了结构设计的合理性;最后,制作了物理样机并通过其攀爬实验,验证了所设计变形轮的可行性。     

风电叶片检测机器人设计与运动仿真研究

为了降低风电叶片检测维修的成本,综合设计制作了一种可以在叶片表面攀爬检测的六足机器人。根据叶片参数确定了机器人整体尺寸,采用SolidWorks软件建立了机器人整体模型,设计了腿部吸附结构。通过静力分析,建立了机器人吸盘吸附的数学模型,以保障机器人行走的安全稳定性。分析了机器人整体行走步态,设计了攀爬行走迈步过程并设计了其关节控制曲线,通过ADAMS软件仿真模拟了机器人在叶片表面的攀爬行走。最后,设计了机器人整体控制系统,并制作样机进行了机器人攀爬实验。仿真与实验结果表明,所设计的机器人结构可以稳定实现攀爬运动,吸盘吸附系统安全可靠,实验结果与仿真的行走步态一致,验证了以攀爬步态行走的可行性。     

模糊神经网络数据融合在移动机器人导航中的应用

提出一种基于模糊神经网络的多传感器数据融合方法,并将其用于自主移动机器人的导航避障。采用BP神经网络作为基体,将模糊技术和神经网络有机结合组成模糊神经网络控制系统,实现了模糊规则自动提取及模糊隶属度函数的自动生成。实验表明该方法可实现机器人的安全避障。     

采用弹簧和行星齿轮传动的阶梯攀登机器人的开发

本文提出的自推进移动机构可攀登阶梯但无传感器或判别算式.开发的腿一轮可动机器人采用弹簧和行星齿轮能适应障碍和克服重力.弹簧作用于前轮攀登一级,而行星齿轮则具有滚动、行走和跳跃的功能,从而使通过阶梯和障碍.已经进行了详细的设计,并设计了具有大量仿真结果的试验模型.同时还通过攀登高阶梯楼梯的试验,证实了设计的试验模型的合理...     

Novel design of a small field robot with multi-active crawlers capable of autonomous stair climbing

Mobile robots often encounter complex obstacles during their operation, not the least of which are stairs. Suitable mechanical structures and adequate control algorithms are both equally important in stair climbing. This paper proposes a novel design for a multi-active crawler robot (MACbot) capable of autonomous stair climbing. The MACbot has four track modules for extended mobility and a recovery arm that facilitates self-rescue capabilities. By adopting the proposed smart clutch mechanism, the MACbot can provide a variety of motions with a minimum number of motors. This paper presents a static analysis for the mechanical design and details the stability analysis for an autonomous stair climbing algorithm. A series of experiments show that the MACbot can autonomously climb stairs reasonably well.     

Optimal design of hand-carrying rocker-bogie mechanism for stair climbing

Transporting heavy packages while climbing stairs can be a very difficult or dangerous task. In situations where this task is frequently required such as construction sites, workers would use equipment such as a back rack for convenience, but still it becomes a difficult task as the weight increases. In this paper, we propose a stair climbing hand-carrying cart based on the rocker-bogie mechanism. We conduct an optimal design of the kinematic variables of the rocker-bogie mechanism for stable stair climbing using Taguchi methodology. Fluctuations and a tilted angle during stair climbing are considered to formulate the objective function. Three different shapes of typical stairs are selected as user conditions to determine a robust optimal solution. The results are verified by experiments using a testing set-up of three stair profiles, and the experimental results are compared with simulation. We expect that the results of this research can be applied to stair climbing robot design.     

Wheelchair.q, a motorized wheelchair with stair climbing ability

The paper deals with Wheelchair.q, a concept for a stair climbing wheelchair capable of moving in structured and unstructured environments, climbing over obstacles and going up and down stairs.The design of the wheelchair, consisting of a frame, a seat and a four-bar linkage mechanism that connects frame and seat, is presented.The four-bar linkage moves and rotates the chair to prevent the wheelchair from overturning and to guarantee a comfortable posture to the passenger during different operations. The kinematic synthesis of the linkage mechanism is discussed using an algebraic method. When the wheelchair faces an obstacle such as a step or a stair, it can passively change locomotion mode, from rolling on wheels to walking on rotating legs, thanks to its self-adaptive locomotion units. The function of the locomotion unit is described and modeled using kinematic equations. The locomotion unit requires only one motor, for both wheeled and legged locomotion. Tests on a scale prototype were conducted in order to evaluate the effectiveness of this locomotion.     

一种新型的爬楼梯机器人

研制了一种利用平行四边形变形特点,实现上下楼梯功能的机器人,用于楼道、墙面自动吸尘器。该机器人结构紧凑、体积小、重量轻、操作方便,爬楼梯速度快、平稳可靠,采用单片机控制系统,用以协调整个系统的行走、转向等动作,实现全工作过程的自动化。实验结果验证平行四边形机构机器人具有较强的越障能力和路面适应能力。     

可变形轮腿式机器人行走机构设计与研究

针对当前轮腿式越障机器人的局限性,设计了一种新型的车轮可变结构机器人,该机器人可以在轮腿之间自如切换。介绍了可变结构车轮的工作原理,该机构在平坦地面上运动以轮子模式行走,当遇到障碍物切换为类花瓣模式越过障碍。对车轮在两种模式下的直行与转弯过程进行理论分析,建立了运动学仿真模型,并对模型进行求解。为了验证分析结果,采用Adams软件对车轮的越障过程与复杂路面行走进行了运动仿真。仿真结果表明,设计的车轮结构可行性较高,具有轮式机构的稳定性,同时具有腿式机构较高的越障能力,使机器人可以适应多种复杂的路况环境。     

基于传感器的两栖机器人环境感知系统研究

通过对两栖机器人复杂作业环境及自身设计特点的分析,针对水面、陆地及水陆交叠的不同环境,分别为机器人设计了基于传感器的环境感知系统,并在此基础上,针对陆地环境将模糊控制算法引入两栖机器人的避障研究,设计了模糊控制器.仿真及实验研究的结果表明,该环境感知系统可以在不同的作业环境下及时准确地获取环境信息,同时模糊控制算法应用于陆地环境下的机器人局部路径规划后,取得了较优的无碰撞局部路径.     

一种椭圆轮式轮椅爬楼梯辅助装置的设计

设计了一款椭圆轮式轮椅爬楼梯辅助装置,通过锁止轮毂与普通轮椅底架固定连接并套在其轮轴上。采用胎面装附有牙型花纹的防滑橡胶皮的椭圆轮爬楼和越障,装置使用马达作动力。同时对椭圆轮的特性和椭圆轮在台阶上的运动轨迹做了相应的说明。经过性能分析,设计的轮椅爬楼梯辅助装置满足功能要求,并具有爬楼梯安全稳定、操作简单、方便控制等特点。     

攀爬机器人动力学建模与分析

针对一种攀爬机器人越障过程中动力学特性与真空模块力系平衡问题,建立了一种基于李群李代数与旋量理论在越障运动过程中攀爬机器人动力学特性分析方法。通过指数积空间的形式推导得到了空间速度雅可比矩阵进而减少因微分求导而产生的奇点,基于李群李代数与旋量理论通过拉格朗日方程建立了物理意义明确、计算复杂度低的动力学方程,建立了真空模块的力学模型,求解得到直角面越障过程中真空模块的最佳吸附力,并应用coppeliasim仿真求解出机器人关节驱动力矩,验证了李群李代数与旋量理论建模的正确性及动力学模型的有效性,通过吸附实验验证了真空模块吸附能力。