转盘式多足仿生机器人的运动学分析及优化

为解决多足机器人控制系统复杂、加工装配困难的问题,设计了一种基于单自由度Jansen连杆机构的转盘式多足仿生机器人,并对其进行运动学分析和优化。首先,运用旋量理论对机器人的单条仿生机械腿进行自由度验证,并运用复数矢量法对仿生机械腿进行运动学求解,得到其足端运动轨迹方程及各关节的转动角度。然后,基于仿生机械腿足端的运动轨迹及其影响因素,分析了其优化方向。接着,提出了转盘式传动机构,并对仿生机械腿的转动关节和足端进行了优化,同时利用SolidWorks软件对转盘式多足仿生机器人的步态进行了时序分析。最后,制作了转盘式多足仿生机器人样机并分析了其在常规路况下的运动能力,验证了其可行性。结果表明,改变曲柄长度和机架水平倾角可优化多足仿生机器人的运动轨迹,使其更符合实际应用所需;转盘式传动机构与多条仿生机械腿的叠加,提升了机器人的环境适应性。研究结果为后续机器人系统的设计及工程应用提供了重要的理论依据。     

4-1型柔索驱动并联机器人稳定性度量及其灵敏度分析EI北大核心CSCD

4-1型柔索驱动并联机器人性能优越具有较好的应用潜力,但评价并保证机器人末端执行器的稳定性任务艰巨。为此,对4-1型柔索驱动并联机器人的稳定性度量方法进行研究,提出一种融合机器人末端执行器位置和约束力影响因子的稳定性度量方法及其指标;建立4-1型柔索驱动并联机器人稳定性灵敏度分析模型,探索并分析末端执行器位置和柔索驱动力等因素对机器人稳定性的影响程度,提出采用关联度研究和分析末端执行器位置及柔索驱动力等参数对机器人稳定性的影响程度。以4索驱动拣矸机器人为例,对所建立的稳定性度量模型及其敏感度分析模型进行仿真研究,得出了能够保证拣矸机器人末端抓斗满足预定稳定性要求的位置点集。稳定性敏感度研究结果表明:拣矸机器人稳定性对驱动力影响因素的敏感度较大,关联度为0.9387~0.9647;其次为位置影响因素,关联度为0.5439~0.7743。     

一种柔索并联机器人的动力学建模与主动控制

柔索并联机器人采用柔索代替连杆作为机器人的驱动元件，它结合了并联结构和柔索驱动的优点。500m口径大射电望远镜（FAST）粗调系统是通过六根索长的协调变化使馈源舱作跟踪射电源的六自由度运动，其工作特点类似并联机器人，因此也被看作柔索并联机器人。基于FAST5m缩比实验模型，首先进行了逆运动学分析；其次，采用拉格朗日方程建立了柔索并联机器人的逆动力学模型；最后，针对结构特点模拟作用在馈源舱上的随机风荷，设计了用模糊控制器自动调整免疫系统反馈规律的免疫PID控制器来控制馈源轨迹跟踪的风振响应。数值结果验证了该主动控制策略能够有效衰减风荷振动，从而提高了馈源轨迹跟踪精度。     

柔索驱动并联机器人运动控制研究

针对柔索驱动并联机器人的工作特点,研究柔索驱动并联机器人的运动控制方法。通过对柔索驱动并联机器人系统动力学的强非线性、参数不确定性以及受到外界干扰等系统特性的分析,探讨了系统适用的控制策略。进一步,设计了一种将常规PI控制和Fuzzy控制相结合的Fuzzy-PI混合离散控制策略来实现柔索驱动并联机器人轨迹跟踪控制。这种控制策略不仅能发挥模糊控制鲁棒性强、动态响应快的特点,而且具有常规PI控制器的动态跟踪品质和稳态精度。在此基础上,为了进一步提高Fuzzy-PI混合离散控制系统的适应能力,设计了一种带有自调整因子的模糊控制规则。数值结果表明,在相同给定条件下Fuzzy-PI控制算法、常规模糊控制和离散非线性PID控制算法跟踪期望轨迹时,沿X方向、Y方向和Z方向的跟踪误差分别在 ±10cm、±7cm、±3cm,±15cm、±8cm、±5cm,±15cm、±9cm、±4cm的范围内。     

连续碳纤维混合3D打印工艺及仿生腿性能研究

基于连续与短切碳纤维复合材料双喷头混合3D打印工艺原理,本文研究了连续碳纤维在实验样条中的排布方式,对3D打印中连续碳纤维的层间布局进行工艺规划,并应用于四足机器人仿生腿的制造,以增强四足机器人仿生腿的承载能力。根据不同工况下四足机器人仿生腿的受力分析及静力学仿真结果,得到仿生腿受力时理论应力集中部位,并由此设计承载力实验对仿生腿30°外展工况持续施加力至额定载荷;通过仿生腿在承载力实验中结构失效的部位与仿真时理论应力集中处的对照分析,证明了仿真结果的准确性。依据仿生腿侧面受力时结构失效的测试评估结果,对3D打印仿生腿中的连续碳纤维的布局进行合理工艺规划,在不增大连续碳纤维整体含量的条件下对应力集中部位进行选择性增强,可在提高3D打印性价比的同时使仿生腿的最大拉升强度提升至310 MPa,从而达到更优的承载作用。     

驱动链高速轴断裂所致FAST索牵引并联机器人的冲击振动仿真分析

介绍了FAST望远镜的巨型柔索牵引并联机器人的构型和工作方式。对FAST柔索牵引并联机器人的塔-索-舱柔性悬挂系统在某一套索驱动单元的电机高速轴发生断裂,卷筒上的低速轴安全制动器随即启动的极端工况所引发的卷筒溜索量和柔性悬挂系统的冲击振动力进行了有限元仿真分析;总的仿真分析可分为三步进行,即柔性悬挂系统的静力学找形分析、卷筒溜索量分析和基于溜索量-时程曲线的系统动力学仿真分析;与此同时,仿真中采用了模拟塔柔性的质量-弹簧振子模型、简化的安全制动器制动力时程曲线和模拟索驱动设备的绳索-质量滑块系统等简化模型。计算结果表明,因高速轴断裂引发的冲击造成了柔性悬挂系统的大幅震荡,需要在系统详细设计中认真考虑。     

索牵引并联机器人中变长度柔索的动力学分析

现有索牵引并联机器人研究中大多将柔索处理成简单的索杆单元,没有充分考虑柔索的动力学特性对末端执行器定位精度的影响。为此,本文提出了一种柔索长度慢速变化时的索牵引并联机器人动力学模型。文中首先推导了描述变长度柔索动力学特性的偏微分方程,空间离散化后采用有限差分法将其转换成普通微分方程。然后,根据末端执行器与柔索之间的动力耦合关系,得出索牵引并联机器人的动力学模型,模型中同时包含有柔索和末端执行器的自由度。最后,给出两个算例来验证本文模型的有效性,同时说明工作空间巨大时考虑柔索动态特性的必要性。     

多腔体式仿生气动软体驱动器的设计与制作

软体驱动器是一种由柔软材料组成,并主要通过弹性材料的弯曲、收缩或伸长等来实现运动的执行器。软体驱动器是实现仿生软体机器人运动和动作的关键部分,开发适用的软体驱动器是进行仿生软体机器人研究的前提。为研究能够驱动软体机器人的仿生软体驱动器,基于目前常见的软体驱动器形式,提出并设计了一种多腔体式仿生气动软体驱动器。该气动软体驱动器主体结构采用硅胶材料制作,能够利用3D打印的模具进行成型。该驱动器主体结构加上底面或经组合后,可以分别得到伸长驱动器、单向弯曲驱动器及双向弯曲驱动器,能够实现类似身体柔软类动物的仿生变形运动。分别对上述3种软体驱动器的静态特性进行了测试,结果表明,在15kPa压力下伸长驱动器的伸长率能够达到40%以上,弯曲驱动器在同样压力下也具有较大的弯曲变形。经实践证明,所设计的多腔体式仿生气动软体驱动器原理可行、制作工艺简单,能够在软体机器人及相关领域中得到广泛应用。     

基于Android控制的智能六足机器人动力学建模及实现

本文根据蜘蛛的运动特点,提出了一种基于Android控制的六足仿生机器人.通过拉格朗日动力学建模及理论分析,建立了行走路径与关节角度的定量关系,提高了运动稳定性和灵活性.通过理论建模和分析,实现了六足机器人跨越台阶等动作,还加入了视频传输和超声测距模块,使六足机器人实现了视频传输和自动避障的功能,有效避障距离为30cm.     

基于等效并联机构的四足步行机器人运动分析

针对四足步行机器人机构运动学求解问题进行了研究.以螺旋理论为分析手段,提出一种基于等效并联机构的步行机器人运动分析方法.将四足机器人3足落地和4足落地状态的运动状态等效为3-UPS和4-UPS并联机构,进行了步行机器人3足、4足落地时的等效并联机构自由度分析,证明其自由度设计的正确性.对单腿机构的运动空间进行了分析和计算,通过比较研究,选取其中运动空间合理的单腿机构配置方式.最后,通过对对应等效并联机构的运动学分析,解决了不同运动状态下的四足步行机器人机构的运动学求解问题.     

基于等效模型的索牵引并联机器人的刚度分析

现有索牵引并联机器人研究中,由于柔索长度较短大多将其处理成仅能受拉的直线索单元,没有考虑柔索垂度的影响,刚度分析过程与刚性支腿并联机器人相同.为考虑垂度影响,该文采用悬链线方程建立了大跨度柔索的静力学模型,推导出柔索的刚度矩阵.然后提出了一种刚度等效模型,将柔索等效为三根两两相互垂直的弹簧.于是便可将索牵引并联机器人等...     

柔索驱动并联机器人定位误差的柔性补偿法

提出了用人工神经元网络(ANN)补偿大射电望远镜(LT)中柔索驱动并联机器人(WDPR)系统动平台位姿误差的方法.为了提高WDPR的运动精度,建立了3种可行的误差补偿方案,并运用Levenberg-Marquart(L-M)算法训练了相应的3个神经元网络.标定仿真显示,基于索长补偿的柔性标定方案比基于动平台位姿补偿的标定方案好.研究结果为提高LT舱索系统的控制精度奠定了理论基础.     

基于STM32的四足仿生机器人设计与实验研究

抗震救灾、资源开发、特殊环境执行任务都需要无线控制的智能机器人.本文设计了一种基于STM32的四足仿生机器人,通过拉格朗日动力学建模,建立了各关节转角与腿部杆件运动的数学关系;在数学建模的基础上,再根据仿生机器人的运动学特征对行走步态进行规划,使机器人稳定步行的同时,提高了系统运动的协调性,实现了动作的精确控制.实验结果表明:该机器人通过无线控制已经实现了稳定步行、转弯、扭转、抬前臂、游泳、俯卧-起身等动作姿态.     

基于多柔体动力学理论的接触网找形方法

基于绝对节点坐标法描述的多柔体动力学理论,提出了一种接触网找形方法.考虑到接触网大变形的非线性问题,采用基于绝对节点坐标法(ANCF)描述的变长度索单元对接触网进行离散,通过多柔体动力学理论对变长度索单元的动力学方程进行推导;根据静力平衡条件对动力学模型进行退化处理,推导了张紧索单元的找形方程.同时考虑接触线的预驰度问...     

基于ADAMS平台的四足机器人越障仿真与测试

针对四足机器人在静步态行走过程中面对非平坦路面上障碍物的情况,提出一套完整的四足机器人翻越障碍物的步态理论分析方法,同时使用ADAMS虚拟样机软件对该步态进行运动仿真与测试。文中详细叙述了机器人膝关节与髋关节的运动轨迹规划,将规划的轨迹离散化后导入ADAMS和利用ADAMS/PostProcessor得到仿真测试结果。该研究通过虚拟样机平台弥补了前期客观条件限制下的测试局限,测试结果验证了四足机器人翻越障碍物的理论分析。四足机器人翻越障碍物的步态理论对未来四足机器人实物样机的设计和制造工作有着指导意义。     

高速柔索牵引摄像机器人动力工作空间研究

首先,提出了一种基于最小二范数的高速柔索牵引摄像机器人的索力快速优化算法;其次,基于集合理论得到了动力工作空间的一致求解策略;进而,仿真计算了给定结构参数下的机器人动力工作空间,并结合机器人沿工作空间顶面特定曲线运行时索长及索力的变化规律,对工作空间顶面形成的原因进行了分析;最后,借助工作空间底面剖视图研究了机器人工作空间底面的可达区域与支撑杆高度的影响关系,得出合理选取支撑杆高度的依据。     

四足机器人高速动态行走中后腿拖地问题研究

进行了用配重法和姿态调整法消除四足机器人Biosbot高速动态行走时由于重心偏置产生的后腿拖地现象的研究.进行的虚拟样机仿真及实物机器人实验验证了这两种方法的有效性.研究发现,配重法使机器人腿关节承受额外负载,极易造成轴联接件磨损、变形;姿态调整法效果比较明显,但也存在摆动腿足端回缩、质心回缩振荡等问题,会导致机器人运...     

仿生六足机器人的发展现状与应用

六足机器人较传统的轮式机器人、履带式机器人有着显著的优势,其可靠性高,灵活性好,能够行走于道路崎岖的路面等,适用前景广阔,成为当下研究讨论的重点。本文对仿生六足机器人的国内外发展现状和发展趋势进行分析,通过模仿蜘蛛的生理特点,使用SolidWorks建模软件构建出六足机器人的机械结构,设计外观并进行组装。     

基于Virtools的仿生六足机器人关节舵机运动仿真

为了实现基于Virtools软件的仿生六足机器人运动仿真,解决其关键问题——机器人关节舵机的运动模拟,提出了基于Virtools Physics Pack的解决方案.该方案的核心问题在于Torque Factor参数的设定,为了使舵机快速、平稳的运动到指定位置,根据舵机需要运动的角度动态调节Torque Factor参数值.实验表明:该方法能有效地使舵机在运动快速性与平稳性之间达到平衡,从而改善整个机器人的运动状况.     

基于有限单元柔度法和刚度法的非线性梁柱单元比较研究

分别基于有限单元柔度法和有限单元刚度法理论,采用纤维模型梁柱单元编制了钢筋混凝土杆系结构非弹性分析程序。基于柔度法的梁柱单元模型的特点在于以单元截面力插值函数作为出发点,在不考虑几何非线性的前提下,总能保证单元内部截面力场分布满足平衡条件。通过构造的数值算例及钢筋混凝土双向弯曲柱反复加载试验结果与两种方法模拟分析结果的对比,对柔度法与刚度法的分析效果进行了比较研究,并对纤维模型梁柱单元解决空间杆系结构非弹性分析的有效性进行了验证。结果表明:对于结构处于强非线性阶段,尤其是对于处理下降段(软化)问题,基于柔度法的梁柱单元无论从计算效率还是计算效果上都明显优于基于刚度法的梁柱单元;纤维模型梁柱单元是目前处理空间杆系双向弯曲与变轴力耦合问题最为实用有效的单元分析模型。