基于可控伸缩轮的移动机器人研究

目前移动机器人按实现爬楼梯功能的原理主要分为轮式、腿式、履带式、变形式和复合式。复合式包括轮腿式、关节履带式、轮履式等。针对移动机器人环境适应性的问题,提出一种新的楼梯攀爬结构——可控伸缩轮,可控伸缩轮结构结合了变形式和轮腿式的特点,通过内置的减速电动机驱动伸缩控制盘,伸缩控制盘通过连接件将动力传递给轮腿,使轮腿在径向一定的范围内可以交替伸缩从而实现稳定攀爬楼梯。最后对可控伸缩轮交替伸缩和基于可控伸缩轮的移动机器人的楼梯攀爬进行了仿真。仿真结果表明,可控伸缩轮可顺利交替伸缩,基于可控伸缩轮的移动机器人成功攀爬楼梯,可控伸缩轮可以提高移动机器人的越障能力,提高移动机器人的环境适应性。     

行星轮式爬楼轮椅的传动方案及运动仿真

爬楼轮椅按照原理划分为几种,包括履带式,行星轮式和腿足式等。主要分析了行星轮式爬楼轮椅的运动过程,指出了当前爬楼轮椅存在的不足,并提出了一种采用同心轴达到不同驱动方式的传动方案,可以使轮椅更稳定地实现爬楼运动。使用CATIA软件进行了结构的设计以及运动仿真模拟,验证了设计方案的可行性。     

行星轮式爬楼梯轮椅的设计与分析

针对老年人和身体残障人士安全地爬楼和在地面上高效移动的需求,设计了一种行星轮式电动爬楼梯轮椅,详细介绍了该轮椅机构组成、控制系统及其功能特点。通过建立基于拉格朗日方程的行星轮组动态模型,研究了不同等效转矩下行星轮组的角加速度曲线,详细分析了轮椅在爬楼梯过程中的稳定裕度。研究表明,防倾翻支架能有效地提高轮椅爬楼的稳定性。该行星轮式爬楼梯轮椅能够安全有效地帮助老年人和身体残障人士,满足日常出行与攀爬楼梯的实际需求。     

轻载型电动载物爬楼机

为了解决老户型无电梯小区搬运大件物品不便的问题,设计了基于滑块机构电助力爬楼机,采用曲柄滑块机构作为助力爬楼机的主要运动机构,以24 V锂电池及减速电机作为爬楼机的动力提供和动力输出机构。通过UG软件的motion进行滑块导路倾角的优化分析,模拟出滑块在运动过程中最低点与最高点之间的距离差为17.674 cm,表明爬楼车的运动满足我国建筑楼梯模数协调标准,物理样机的实验也验证了这一点;通过ANSYS分析,表明小车爬楼运动过程中强度满足受力要求,爬楼机可在楼梯上平稳运行,爬楼过程中的安全性和可靠性将通过机械结构做保障。     

国内外轨道式机械爬楼装置的研究现状

对于老年人和行动不便的人来说，室内、室外的各种楼梯已经成为了他们参与社会生活的障碍。针对这一现状，产生了许多爬楼装置。其中轨道式机械爬楼装置是在楼梯上安装轨道，使装置沿轨道实现上下楼的运动。这一形式在国外应用很广。根据楼梯形状的不同，轨道有弯轨和直轨之分。导轨形状多样，与之配合的驱动导引机构也各具特色。这里介绍部分轨道式机械爬楼装置的特点、发展现状及其应用。     

行星轮式爬楼机构的尺寸优化设计与分析

针对目前已有的行星轮式爬楼小车的爬楼机构没有统一设计标准的问题,对四轮式行星轮爬楼机构进行尺寸优化设计,将标准要求几何化、参数化。基于欧几里得几何学,确定了行星轮爬楼机构的外形尺寸与轮胎尺寸。通过使用AutoCAD中的几何约束进行了尺寸校核,通过SolidWorks进行了运动仿真。研究了优化设计后的爬楼机构在不同尺寸楼梯下的重心起伏。研究结果表明,经过优化设计后的四轮组行星轮式爬楼小车的通过性强,可以满足所有符合标准设计的楼梯。小车的整体体积合适,重心起伏小,安全性高。     

小型轮履腿复合式机器人设计及运动特性分析

针对在室内外环境下对小型移动机器人的运动要求,综合轮式、履带式和腿式运动机构的优点,研制开发了一种多运动模式的小型轮履腿复合式移动机器人。该机器人可以进行轮式高速运动、履带或腿式越障等多种模式的运动。对其运动特性、越障性能、自动复位功能进行了详细的分析。采用的嵌入式控制系统保证了机器人功耗低、可靠性好、实时性高的控制要求。试验表明,这种移动机器人运动灵活,具有很好的环境适应性和较高的越障能力。     

基于推拉式软轴传动的外骨骼机械系统研究

针对近年来老年人数量急剧增加而带来的对助老助残工具的迫切需求,从仿生的角度设计了一款外骨骼助力机器人。在确定使用推拉式软轴驱动运动关节后,首先完成了外骨骼机器人肩肘部关节等结构和机构的设计;随后对踝关节等柔性驱动进行设计,并对各个关节的活动范围进行了分析。最后在动力学仿真软件中对外骨骼机器人腿关节运动、足端运动进行了动力学分析和行走步态的运动学分析,证明了该机器人在运动平稳性和速度稳定性方面能够满足其作为助力工具的需求。     

虚拟外骨骼机构的仿真研究

可穿戴型下肢外骨骼机器人,也简称为助力腿,可以用来完成依靠人的自身能力无法单独完成的远行、负重、爬楼等任务。通过对人体下肢的骨骼结构和运动情况进行分析,设计了一套助力腿机构;通过建立三维立体模型,对机构运动情况进行模拟仿真研究,并与人体运动的实际情况进行对比。     

轮组式爬楼机器人的设计与实现

爬楼机器人是一种能适应多种参数楼梯及复杂障碍的移动式机器人。本设计通过轮组交替变换的方式实现机器人的爬楼功能,系统应用无线远程控制模式,采用PWM调速实现机器人的行进控制,通过步进电机驱动实现爬楼和越障功能。本文完成了对爬楼机器人的硬件系统和软件控制程序设计,并通过实物验证了设计方案的可行性和实用性。     

基于四杆机构的多足爬楼机器人传动轴的设计与分析

基于现在市面上已经存在的爬楼助力轮椅及其他的爬楼机器必须依靠别人的帮助才可实现使用者的上下楼功能,提出一种基于四连杆机构的多足爬楼机器人的设计方案。根据楼梯的高度、爬楼机器上下楼的速度、整个机器及使用者的重量,选择合适的涡轮蜗杆减速器提供动力,配合齿轮传递,实现动力的一层层传动。此外,在此基础上利用Ansys对受力最大的一根传动轴进行应力校核分析,以此确定轴的尺寸和材料是否满足要求。     

六足机器人爬楼步态的力学仿真分析

为提高六足机器人对楼梯障碍物的适应能力,设计一种半圆形腿式的六足机器人。根据机器人的结构特点,规划了六足机器人爬楼梯中的四足步态。基于机器人柔性体半圆形腿的结构特点,采用ANSYS软件和ADAMS软件对其进行了联合仿真,建立半圆形腿的柔性体模型,对其进行运动仿真并进行了应力应变和模态分析。仿真结果表明:六足机器人结构设计合理,验证了柔性体半圆形腿选材和电机选型的正确性,为进一步进行机器人系统结构与误差的分析奠定了基础。     

轮腿式爬楼梯移动机器人的设计及运动特性分析

针对非结构化复杂环境对移动机器人的运动要求,结合轮式和腿式移动机构的优点,设计了一种高效、稳定的轮腿式爬楼梯移动机器人。设计了机器人的主要结构,分析了机器人的稳定性及转向性能。平地行走、转向、越障、上下楼梯等实验结果表明:设计的轮腿式爬楼梯移动机器人结构简单,运动灵活,控制方便,控制精度高,不需对运行步态进行预先规划,它不仅可以在崎岖不平的环境中实现快速行驶,而且实现了快速稳定的爬楼梯功能,具有很强的越障能力和环境适应能力。     

主—被动变刚度柔性单腿建模及能耗分析

为了改善传统刚性足式机器人运动高能耗问题,通过仿生学研究总结人类跑跳运动刚度与能效相关性,建立具有主—被动复合变刚度的串联柔性单腿数学模型,对减速器、柔性关节阻尼、功率流进行了详细描述;选定单腿模型主要参数并结合仿生学设计关节"三段式"被动变刚度特性,采用Hertz模型进行触地碰撞仿真,验证了具有被动变刚度特性的柔性单腿比定刚度柔性单腿具有更好的稳定性;通过对原地跳跃运动、支撑相水平运动两个过程的仿真计算,得出不同运动情况下腿部刚度与能耗的变化规律。研制了具有主—被动复合式变刚度柔性关节及基于该关节的单腿样机,联合NI-cRIO系统实验,验证了不同运动情况下合理调整刚度系数能够改善足式机器人能耗的结论,与仿生学研究相符。     

履带变构式轮履复合爬楼轮椅爬楼平稳性分析

对一种基于大轮摆动的履带变构式轮履复合爬楼轮椅的爬楼平稳性进行分析。针对均匀楼梯上的爬楼过程进行数学建模,分析在爬楼过程中爬楼轮椅和人体整体的重心相对支撑台阶沿的位置关系,得出了满足平稳性要求的参数关系式,并给出了平稳性裕度的概念和计算方法,计算出常见楼梯范围内前平稳性裕度以及后平稳性裕度的最小值。针对某一台阶突高、突低、突宽或突窄四种形式的不均匀楼梯上的爬楼过程分别进行建模分析,得出了满足非均匀楼梯爬楼最平稳的平稳性要求的参数关系式,给出了验证某一楼梯参数能否满足非均匀楼梯平稳性要求的方法。进行了样机试验,进一步验证了该爬楼轮椅在常见台阶尺寸楼梯上的平稳性和非均匀楼梯上平稳性的预判方法可行。     

轮足两用复合式移动机器人轮腿设计及运动分析

设计了一种结构紧凑、地形适应性强、运行可靠的机器人轮腿。该轮腿设计采用轮足复合运动模式、模块化设计理念,结构上采用同心轴输出机构,外轴高速旋转带动机器人车轮以获得机器人的高速移动,内轴低速大转矩输出以使机器人能够站立行走,可以根据不同的地形条件变换运动模式,实现机器人轮式、关节式以及轮足复合式三种运动形式,并简要分析了各种运动模式轮腿的工作状态及其适用场合,对轮腿转向存在的局限性需进一步研究改进。     

一种轮组结构爬楼梯机器人的传动和结构设计

针对楼梯结构的变性,研制了具有爬梯强适应能力的轮组机构。该机构保证机器人具有良好的机动性,能够在平地行驶、爬楼梯、跨越障碍等动作状态间很好的过渡转换。介绍了机器人的结构特点及其运动功能实现,并对机器人的传动结构布局、传动实现、轮组设计等内容进行详细阐述。     

并联腿机构在四足/两足可重组步行机器人中的应用

将并联腿机构用于助残步行机器人,可大大提高步行机器人的载重/自重比,从而节省能源,延长行走时间。为此提出并联腿机构四足步行机器人。四足稳定性好,安全性高,但是上下楼梯或台阶时座椅有较大的倾斜。为了解决这一问题,提出一种四足/两足可重组并联腿机构步行机器人。在一般路面采用四足行走,消除使用者乘坐两足步行机器人时的恐惧心理;在上下楼梯或台阶时采用两足行走,弥补四足步行机器人行走时产生的身体倾斜。提出四足/两足可重组步行机器人机构上的实现方法,分析3自由度3-UPU并联机构,以及其两两合并后的6-SPU并联机构,讨论它们在四足/两足可重组并联腿步行机器人中的应用,通过自由度计算进行四足/两足步行机器人的可动性分析,为四足/两足可重组并联腿机构步行机器人的进一步研究奠定了理论基础。     

机械爬楼装置的传动系统方案研究

轨道式机械爬楼装置是在楼梯上安装轨道,使轮椅等装置沿轨道实现上下楼的运动。根据楼梯扶手的形状不同,轨道有弯轨和直轨之分,而且直轨和弯轨的轨道截面形状多种多样,与之配合的传动系统也各不相同。本文将对国内外直轨和弯轨形式爬楼梯装置的传动系统及其原理进行分析和研究。     

一种自动爬楼运输车

设计了一种自动爬楼运输车,其特征是将水平行走运动与升降运动分开,水平行走由伺服电动机通过滚珠丝杠带动载物台实现,升降运动由电动推杆的伸缩实现,行走运动与升降运动交替进行。其中,水平行走与升降运动均由3条腿支撑完成,利用三角形的稳定性保持整个机构在水平面内稳定牢固。在爬楼过程中,载物台始终呈水平状态,运送的物品不会因倾斜而滑落。整个装置由单片机控制伺服电动机与电动推杆协调运动,从而完成爬楼动作。