柔性轮式移动弹跳机器人设计与运动性能研究

为了提高机器人在复杂环境中的适应性能,解决弹跳机器人姿态调整和翻转复位的问题,设计一种柔性轮系机构与集弹跳、调姿和翻转复位一体的多链弹跳机构结合的柔性轮式移动弹跳机器人。运用柔性轮系机构实现机器人平坦路面快速稳定的移动,通过柔性轮的弹性变形消除弹跳运动的部分落地冲击力,并基于铁木辛柯梁理论对柔性轮进行受力变形分析。多链弹跳机构能实现机器人的弹跳运动、起跳角度调节和落地后翻转复位,具有单机构多功能的特点。设计了一种复合螺母机构,当复合螺母机构的螺母片闭合时,储能电机驱动丝杆转动实现机器人弹跳储能;当螺母片分离时,瞬间释放弹簧的弹性势能实现机器人的弹跳运动。运用ADAMS对机器人的姿态调整、弹跳运动和翻转复位进行仿真,研制柔性轮式弹跳机器人原理样机并进行弹跳运动实验,结果表明,该柔性轮式移动弹跳机器人的设计具有可行性。     

燃气动力弹跳机器人的设计与试验研究

以可燃混合气体为动力源,设计了一种燃气动力的弹跳机器人,包括弹跳驱动器和轮式运动机构。弹跳驱动器采用双活塞燃烧室结构及磁力锁紧机构,有效减小驱动器体积,有利于驱动器复位和废气排除。轮式运动机构包括车身和蜂窝车轮,车身作为驱动器载体,蜂窝车轮用于机器人落地缓冲。对车轮的径向、周向和切变模量进行等效计算,采用铁木辛柯梁理论对车轮进行静力分析,计算结果与试验数据吻合;利用LS-DYNA对车轮落地碰撞进行仿真,分析了落地冲击能量消耗。对机器人的弹跳运动进行规划,弹跳越障试验表明机器人可直接越过或跃上障碍物,验证了机器人的弹跳运动能力。该弹跳机器人的研究为提高地面移动机器人的未知复杂地形适应能力提供了一种可行的技术方案。     

弹跳机器人弹跳机构的设计与仿真分析

在仿生蝗虫跳跃机理的基础上,给出了弹跳机器人的弹跳机构设计方案,并从理论上分析了其可行性与优势。根据蝗虫腿部的跳跃特点,建立了弹跳机器人的弹跳机构模型。利用虚拟样机技术,对弹跳机器人进行仿真与分析,得出了弹跳机器人的位移、速度、蹬地力曲线,分析了不同参数对弹跳高度与距离的影响。然后通过仿真得到了弹跳机器人蓄力阶段的驱动力矩曲线,为弹跳机器人动力配置提供了依据。     

弹跳机器人翻转机构的设计与优化

为了提高弹跳机器人的地面适应性,解决弹跳机器人落地后的翻转问题,从蝗虫和龟类的翻转研究中得到启示,设计结构简便、易于控制、集支撑与翻转功能为一体的翻转机构。应用三角重心理论,分析机器人翻转的原理和翻转过程。在仿真的基础上,对翻转机构进行构型和尺寸优化,保证机器人结构紧凑,轻量化和较高的电动机利用率。搭建翻转机构平台,验证了翻转机构原理的可行性和优化设计的正确性,为弹跳机器人进一步的创新研究提供了理论基础和依据。     

四腿液压弹跳机器人的单腿起跳优化设计

针对提高关节型液压驱动弹跳机器人的环境适应性,提出了除高度、稳定性外,弹跳机器人的另一重要控制参数——地面支持力。通过增加腿部力量推动机身做功位移,同时保持推动力恒定,消除足端对地面的作用力的波动,以减小弹跳所需支持力的峰值,降低对地面硬度的要求。另一方面通过合理的运动规划,使得机器人在保持弹跳高度、负载不变的前提下,对液压系统流量及压力的要求降低。     

燃爆式弹跳驱动器的设计与分析

跳跃机器人具有高效的越障能力和广阔的应用前景,正在形成新的热点研究方向。以汽缸为弹跳主体,采用可燃性混合气体,热火头为点火装置,辅以电磁阀等元件,设计了一种高性能的燃爆式弹跳驱动器。对其工作原理进行了分析,驱动器利用气体爆炸产生的冲力反推地面实现跳跃,在此基础上完成了机械结构的设计。然后就负载对弹跳高度的影响进行了理论分析和试验验证。试验证明:该弹跳机构弹跳高度可达5.1 m,具有较强的带负载能力,带3 kg的负载弹跳高度可达2.02 m,具有良好的弹跳性能和较高的能量利用率。     

间歇性单足弹跳机器人落地冲击及稳定性分析

弹跳式机器人落地时与地面的撞击会造成机载设备的损坏 ,而且由于足部受力不均导致机构易翻转 ,难以保持正常的姿态继续弹跳。本文首先建立间歇式弹跳机构的双质量弹簧模型 ,对其进行动力学分析 ,并将弹跳动作划分为四阶段 ,分析了除起跳外其他三个阶段中所受外界作用。经过计算分析 ,最终归纳总结出五条减小落地冲击力及保持稳定的改善措施 ,这些措施为实用弹跳机构的设计提供了有益参考     

考虑柔性关节的仿袋鼠跳跃机器人落地稳定性研究

对具有柔性关节的仿袋鼠跳跃机器人落地稳定性进行了研究。用拉格朗日方法建立了机构在着地阶段的动力学方程。结合实例,运用Matlab和Adams软件对机器人进行仿真分析,给出了机器人在着地阶段的各关节转角、关节驱动力矩、着地压力及ZMP随时间的变化规律。分析结果表明:膝关节,特别是踝关节引入柔性关节,不仅能显著地吸收落地能量而获得落地缓冲能力和降低关节输入力矩峰值而减小驱动元件的功率,而且能有效地提高跳跃机构的弹跳能力和落地稳定性。     

基于ADAMS的垂直弹跳机器人动力学仿真

针对一种垂直弹跳机器人,利用Pro/E软件创建三维实体模型,然后利用Pro/E与ADAMS的数据接口软件Mechanism/Pro将模型及其特征参数导入ADAMS中,并在几何模型上施加适当的约束、接触力、驱动、传感器等,最后进行动力学仿真,主要分析了弹簧刚度对机器人的弹跳高度、弹跳速度和弹跳加速度等的影响。     

基于ADAMS的垂直弹跳机器人动力学仿真

针对一种垂直弹跳机器人,利用Pro/E软件创建三维实体模型,然后利用Pro/E与ADAMS的数据接口软件Mechanism/Pro将模型及其特征参数导入ADAMS中,并在几何模型上施加适当的约束、接触力、驱动、传感器等,最后进行动力学仿真,主要分析了弹簧刚度对机器人的弹跳高度、弹跳速度和弹跳加速度等的影响.     

Compensation of nonlinear dynamics for energy/phase control of hopping robot

Hopping height control is one of the difficult problems in legged control. Many kinds of research employ a leg spring for the supplement of energy, and model the robot as a spring-mass model. Feedback linearization enables to cancel the nonlinear terms theoretically. However, it is difficult to identify the nonlinear terms including the parameters precisely in the real world.This paper nominalizes the robot dynamics as the desired spring-mass system applying a disturbance observer. In order to realize the desired characteristics of the spring and the mass, the disturbance including the nonlinear terms is rejected firstly by a disturbance observer. To make the mass in the workspace as constant, the nominal inertia of the disturbance observer in the joint space is varied. Next, by adding the desired virtual elastic force, the robot dynamics is nominalized as the desired spring-mass system.Based on the nominalized spring-mass dynamics, hopping-height control using energy/phase control is implemented. While energy control is often used for hopping height control, the energy/phase control enables the hopping-height control and the spring-mass oscillation simultaneously.Constant hopping-height and stepwise hopping height are realized experimentally through the proposed control method. The simulations in the case of the ideal dynamics are also conducted for comparison.     

仿袋鼠机器人跳跃运动步态的运动学

提出了仿袋鼠跳跃机器人机构模型及运动学研究的方法。基于对袋鼠的运动结构及录像资料的研究,提出了仿袋鼠机器人单腿四杆跳跃机构的分析模型,采用D-H法,建立了机器人着地与腾空两个阶段的运动学方程, 进行了正运动学研究,给出了机器人在跳跃过程中的运动位姿及躯干质心的运动轨迹表达式,并利用雅可比矩阵建立了机器人躯干质心与关节之间的微分运动关系及速度分析方法。采用Matlab编程,结合实例对机器人进行了运动仿真运算,对结果进行了分析讨论,解释了袋鼠跳跃运动跃远度大而耗能低和运动稳健的运动机理。研究结果与录像观察和生物学实测研究结果相吻合,从而证明了这一仿生跳跃机构模型的可行性和仿生机构运动研究方法的有效性。     

双臂弹性单腿机器人的垂直跳跃控制

提出一种新型弹性单腿跳跃机器人系统,该机器人由两个驱动臂和一个弹性被动伸缩腿组成,系统只能依靠内部动力学耦合实现动态站立平衡、起跳、稳定连续跳跃运动.给出系统机构模型,分析该系统的变约束特征.该机器人系统在支撑相是二阶非完整约束系统,在飞行相是一阶非完整约束系统.针对这种欠驱动非完整约束动力学系统,采用时变非线性输入变换,提出一种实现垂直方向连续跳跃的运动控制算法.以控制腿部的姿态和振动规律、系统动量为目标实现机器人的全状态稳定控制.通过计算仿真模拟,验证提出的运动控制方案是可行的.该研究以探索弹性欠驱动机械系统振动能量循环利用技术为目标,研究结果对设计新型弹性欠驱动机械系统以及探索它在航天领域的应用具有一定参考价值.     

仿袋鼠跳跃机器人运动和力传递性能研究

在仿袋鼠机器人机构模型的基础上,建立了跳跃过程着地阶段的运动学方程;通过关节空间与操作空间速度的变换关系,定义仿袋鼠机器人跳跃运动速度和力方向可操作度;以速度和力方向可操作度为性能指标,度量仿袋鼠跳跃机器人在操作空间中的运动和力传递性能,解释了袋鼠起跳瞬间小腿与地面垂直是为了保证有足够的运动和力传递的灵活性。     

考虑关节非线性刚度的仿袋鼠柔性跳跃机构动力特性分析

根据袋鼠腿部的生物结构及跳跃的特点,建立了考虑关节非线性刚度的仿袋鼠跳跃模型及其着地阶段的运动、动力学方程。结合实例,用Matlab7.1计算和绘出了模型此阶段中各关节转角、关节力矩、地面支承力以及非线性扭簧恢复力矩随时间的变化规律,对比线性关节对其进行了分析和讨论。结果表明:非线性的引入不仅可提高关节的储能能力,有效地降低关节输入力矩,而且还能防止跳跃机构提前起跳,改善跳跃性能,从而有利于增加起跳速度和跃远度,更符合生物的特征。     

仿袋鼠跳跃机器人的刚柔混合建模运动步态分析

根据袋鼠柔性脚部的生物结构及跳跃的特点,建立了具有柔性脚的仿袋鼠跳跃机器人刚柔混合模型,并分别对刚性构件系统和柔性构件系统建立子系统动力学模型。结合实例的数值仿真分析结果表明:柔性脚能有助于机器人在着地过程中保持落地运动平稳性,增大起跳时间和调整起跳角度,从而有利于增加起跳速度和跃远度,更符合生物的特征。     

一种仿蛙单足弹跳机器人弹跳设计与动力学分析

当前，弹跳机器人有着广泛的应用前景，提高其弹跳性能是一个值得探讨的课题。设计并分析了一种仿青蛙跳跃的弹跳腿。将其简化为双质量弹簧模型，得出了其跳起的必要条件及在空中运动状态的动力学方程。仿真结果表明，该弹跳腿的设计是可行的。     

基于自适应结构的仿袋鼠机器人脚部研究及设计

根据袋鼠的生物结构特征,建立了仿袋鼠跳跃机器人的刚柔混合模型。利用自适应结构的可控性,将其应用于仿生跳跃机器人领域,来实现跳跃机器人在不同跳跃速度下的脚部轮廓变形以及在跳跃过程中脚部的变形。在SolidWorks中建立自适应结构脚的三维模型,运用拉格朗日方法建立机器人动力学方程,在此基础上,用ZMP法建立其落地稳定性的求解方程。结合实例仿真结果表明:具有自适应结构的变形脚有助于提高机器人在着地过程中的落地稳定性,增大起跳时间和调整起跳角度。