一种单构件双运动机理微小型机器人移动机构

传统微小型机器人的移动机构难以同时满足对高移动速度和高分辨力的需求,而宏微双重移动机构通 常存在结构复杂的缺点．针对这一问题,提出一种单构件双运动机理移动机构．该机构具有双重运动机理,即非谐 振条件下的粘滑运动机理和谐振条件下的碰撞运动机理,分别用于实现较高的运动分辨力和较高的运动速度．实验 结果表明,原理样机在前进与后退方向的运动分辨力分别可以达到0.896 mm 和0.456 mm,在10V 电压驱动下运动 速度可达172 mm/s．该机构结构简单,易于微小型化与批量制造,同时具有较高的运动速度与运动分辨力,可以提 高微小型机器人的运动性能．     

一种大行程高精度微执行器的研究

为了解决宏/微驱动系统中大行程和高精度之间的矛盾,研制了一种基于摩擦工作原理的压电陶瓷驱动的新型大行程、高分辨率步进式微执行器,该微执行器的行程为300mm、位移分辨率为0.02μm.提出了一种新型的基于压电陶瓷的柔性四杆型可调预压装置,并进行有限元分析.建立了微执行器系统的动力学模型,基于Karnopp“粘滞-滑移“摩擦模型分析微执行器力学特性.对微执行器的运动特性进行实验测试.     

压电谐振驱动三足机器人的平面运动

设计并实现了一类利用压电陶瓷片作动,由三条曲梁足支撑的振动驱动机器人.建立了在一条足共振驱动下机器人水平运动的动力学方程,数值计算解释了摩擦作用下的运动机理,寻找到异性摩擦对运动方向、速度的影响和压电激励频率与运动速度间的关系.通过建立圆弧曲梁控制方程求解圆弧型足面内振动的固有频率及振型,设计了三组不同频率的圆弧曲梁足参数,实验制作了机器人模型,利用压电控制三足间振动的共振切换,实现了预想的三个方向的运动以达到平面运动的效果,实验测量了机器人的运动速度与理论计算吻合得较好.     

一种基于并联6自由度结构的电动轮足机器人

针对现有基于串联式机械腿结构的四足机器人无法同时满足承载能力大、环境适应性强、运动速度快等要求的问题,提出了一种基于并联6自由度结构的电动轮足机器人结构原理,集成了轮式运动和足式运动各自的优势.在对机器人并联式轮腿进行运动学和动力学分析基础上,建立了单腿动力学模型和机器人整体运动学模型,提出了机器人机身姿态调整算法,有效提高了机器人运动过程中姿态的平稳性.仿真与实验验证了所提出的轮足复合式机器人的可行性和轮式运动时机器人机身姿态调整策略的有效性.     

控制六足仿生机器人三角步态的研究

基于仿生学原理,在分析六足昆虫运动机理的基础上,对六足仿生机器人的三角步态运动原理进行了分析.论文涉及六腿机器人步态研究的一些基本参数的描述,讨论了用相对运动的原理研究步态的方法,结合慧鱼机器人组合包中的构件拼出六足仿生机器人.该机器人模型结构简单,设计独特,能前进和后退,且能避开小型障碍物.基于三角步态运动原理对其进行了反复实验,实验结果表明六足仿生机器人具有较好的机动性和稳定性.     

平面双连杆受限柔性机器人臂的动力学建模*

对一类平面双连杆受限柔性机器人臂的动力学建模问题进行研究，利用Ｄ’Ａｌｅｍｂｅｒｔ－Ｌａｇｒａｎｇｅ原理得到了一组描述该机器人系统运动性态的动力学方程。与已有的动力学模型相比，本文所建立的运动方程和振动方程具有模型准确、结构简单等特点，且具有与传统无约束刚性机器人类似的模型形式，因而有可能直接或间接利用现有的关于刚性机器人运动控制等方面的成果来研究复杂的受限柔性机器人的控制问题。     

具有2DOF铰接式躯干的仿猎豹四足奔跑机器人

为了探索脊柱运动对腿运动的增强机理,设计了具有2自由度铰接式躯干的仿猎豹四足奔跑机器人。对带腾空相的跳跃（bound）步态奔跑运动的力学过程进行描述,采用阻尼型弹性负载倒立摆（D-SLIP）模型建立了四足机器人动力学模型。依据猎豹的奔跑运动模式,对四足机器人脊柱关节与腿关节的耦合运动进行了轨迹规划。提出一种改进的粒子群优化（PSO）算法,解决了机器人脊柱关节驱动机构尺寸和运动轨迹控制参数之间目标互斥的嵌套优化问题。对四足机器人跳跃奔跑运动进行动力学仿真,结果表明：脊柱与腿的协调运动可以增大奔跑步幅,使机器人产生腾空相,从而提高机器人的奔跑速度。     

欠驱动柔性机器人的振动可控性分析

欠驱动柔性机器人的可控性分析是对其进行有效控制的关键问题. 本文以具有柔性杆的3DOF平面欠驱动机器人为例, 分两步分析系统的可控性. 首先,忽略杆件的弹性变形, 研究欠驱动刚性系统在不同驱动电机位置的状态可控性;然后, 考虑柔性因素, 研究欠驱动柔性系统的结构振动可控性. 结果表明振动可控性是随机器人关节位形和驱动电机位置而变化的, 并且欠驱动刚性机器人的状态可控性对相应的柔性系统的振动可控性有很重要的影响. 最后, 将上述研究方法扩展到具有一个被动关节的N自由度平面欠驱动柔性机器人.     

具有弹性连杆机构的四足机器人对角小跑步态控制

为了提高四足机器人的运动性能和抗冲击能力,设计了一种具有弹性连杆机构和线驱动系统的四足机器人,称为LCS(linkage-cable-spring)四足机器人.借鉴SLIP (弹簧负载倒立摆)模型,提出了基于着地角的速度控制策略和基于能量补偿的质心高度控制策略.采用姿态控制策略来提高对角小跑步态的运动稳定性.仿真实现了给定前进速度条件下稳定的对角小跑步态.搭建LCS四足机器人样机实验平台,完成了踏步、对角小跑步态行走实验.实验结果表明,LCS四足机器人运动过程中机身翻滚和俯仰角能控制在2?以内,并能平稳通过10 mm×10 mm小型障碍物.     

基于Virtual.lab的柔性并联机器人仿真平台

为了实现柔性并联机器人的快速可视化建模,提供柔性并联机器人动力学分析的新途径,针对柔性并联机器人系统内刚体、柔体耦合的难点,利用Virtual.lab软件对VBA的支持及其处理机械系统弹性动力学问题的优势,结合数据库技术、参挝数化建模原理和柔性并联机器人动力学仿真的特点,对Virtual.lab软件进行二次开发,建立柔性并联机器人动力学仿真平台,可实现柔性并联机器人动力学特性的分析.该平台操作简单,建模效率高,计算速度快,便于机械工程师在机械设计中使用.为柔性并联机器人结构优化设计及运动学、动力学规划指标的确定提供科学依据.     

基于非线性能量阱的深海柔性张力腿的振动抑制

本文研究了基于非线性能量阱的深海柔性张力腿的振动抑制问题.考虑端部参数激励和非线性能量阱(NES)作用下的张力腿力学模型,采用哈密顿变分原理推导出非线性振动控制的运动微分方程,利用伽辽金法进行离散化.通过参数分析和数值仿真计算,得到柔性张力腿的横向位移模态振动响应,同时还对比分析了NES与调谐质量阻尼器的减振性能.结果表明,相同情况下NES具有更为显著的减振效果,并且可以通过调整NES吸振器的参数,达到最优振动控制效果.     

Micro robot arm utilizing rapid deformations of piezoelectric elements

A unique precise positioning mechanism is introduced. It utilizes inertial force and friction, and can make step-like motion of several nanometres up to several micrometres. Repeating step-like movements, precise positioning with a resolution of several nonometres and for an unlimited movable range is possible. Prototypes of joint mechanisms for a micro robot and a 4-degrees of freedom micro robot arm were constructed using this mechanism. These arms and joints proved to have a high positioning resolution and a practical maximum velocity. Applications of this micro robot arm are also discussed.     

四轮驱动滑动吸盘爬壁机器人的动力学研究

研究了四轮驱动滑动吸盘式爬壁机器人在滑动导向运动方式下的动力学问题．首先分析了机器人在壁面上安全移动的运动状态和约束条件, 然后对驱动轮支撑力分布、驱动轮与壁面间的横向摩擦力以及密封圈摩擦力进行分析,进而基于牛顿---欧拉法建立了机器人的动力学方程, 并用驱动力矩安全系数来表征驱动力矩的安全程度．通过动力学仿真,分析了吸附压力、驱动轮分布、密封圈刚度等对驱动力矩的影响, 为四轮驱动滑动吸盘式爬壁机器 人结构优化和安全运动控制提供理论依据．     

A new approach to robust position/force control of flexible-joint robot manipulators

In this paper a new approach employing smooth robust compensators is proposed for the control of uncertain elastic-joint robot manipulators during contact tasks. It is assumed that the flexible-joint manipulators consist of two subsystems: the rigid subsystem and the flexible subsystem. The output of the flexible subsystem is assumed to be the input of the rigid subsystem. The control design is carried out in two steps. First, a desired input is designed for the rigid subsystem, which can robustly stabilize it. Second, a robust controller is designed to stabilize the flexible subsystem so that it generates the necessary torque designed for the rigid subsystem. By using this approach, the robot manipulator can exert a preset amount of force on the environment while tracking a desired trajectory with global asymptotic stability. Lyapunov's direct method is used here to prove the global asymptotic stability of the closed-loop system. The assumption of weak joint elasticity is relaxed and exact knowledge of joint stiffness is not required for the control design. Also, exact knowledge of robot kinematic and dynamic parameters and actuator parameters are not required. Unlike other approaches, this approach takes the environmental stick-slip friction as well as its dependency on normal contact force into consideration. It compensates for the adverse effects of the stick-slip friction. The proposed controller produces a smooth control action, and ensures smooth motion on the contact surface. The efficacy of the proposed controller is illustrated with the help of a numerical example of a two-link flexible-joint robot. © 1996 John Wiley & Sons, Inc.     

Integrated adaptive-robust control of robot manipulators

In this article, an integrand adaptive-robust approach along with a smooth adaptive-robust friction compensation strategy are applied to tracking control of robot manipulators with joint stick-slip friction. The designed controller takes advantage of both adaptive and robust approaches. It has the ability to learn and the ability to reject disturbance and to handle various uncertainties including stick-slip friction. The uncertainties due to unknown robot link parameters, unknown viscous friction coefficient, and unknown maximum static friction, which are linear in parameters, are compensated by the integrated adaptive-robust control method. On the other hand, the exponential friction (used to model the Stribeck effect: the downward bend of friction torque at low velocities), which are nonlinear in parameters, and external disturbances, are compensated by a robust compensator with a self-learning upper bounding function when no a priori knowledge on the exponential friction and disturbances are available. The employed robust compensators produce smooth control action, and avoid motion intermittency, which are commonly associated with stick-slip friction. The proposed controller guarantees global asymptotic stability of the closed-loop system, as proved by Lyapunov's direct method. © 1998 John Wiley & Sons, Inc.     

电动并联六轮足机器人的运动驱动与多模态控制方法

提出一种并联六轮足移动机器人.该机器人设有多模式Stewart型腿结构,其负载能力大,集成了轮式运动和足式运动的优点,可实现足式、轮式、轮足复合式运动.首先,阐述了机器人设计思路,对电动并联六轮足机器人的硬件系统和控制系统进行设计.其次,针对足式运动模式,设计了一套完整的足式"三角"步态和稳定行走算法,该算法可降低足端与地面之间的垂直方向冲击,防止足式运动拖腿或打滑;针对轮式运动模式,设计并介绍了6轮协同控制和轮式协同转向原理;针对轮足复合式运动模式,介绍了变高度、变支撑面、变轮距、主动隔振控制原理,重点分析了主动隔振控制和变轮距控制,可实现主动隔振及姿态平稳控制,提高了机器人在崎岖颠簸地形下的轮足复合式运动的稳定性.最后,对电动并联六轮足机器人的足式、轮式、轮足复合式运动模式进行实验,实验结果验证了本文提出的并联六轮足移动机器人设计的可行性和各运动模式下驱动与控制算法的有效性.     

Stick-slip motion control based on cutter location data for an orthogonal-type robot

In this article, a new desktop orthogonal-type robot, which has the capacity of stick-slip motion control based on cutter location data, is presented for lapping small metallic molds with a curved surface. The robot consists of three single-axis devices with a high position resolution of 1 μm. A thin wooden stick tool with a ball-end shape is attached to the tip of the z-axis. In order to improve the lapping performance, a novel stick-slip motion control method is developed in the control system. The small stick-slip motion is orthogonally generated in the direction of the tool’s movement. The effectiveness of stick-slip motion control is examined through an actual lapping test of an LED lens cavity.     

宏微复合运动平台的自抗扰控制研究

摩擦是影响机械导轨运动平台精度的主要原因.宏微复合运动平台将无摩擦的柔性铰链与直线平台结合在一起,利用柔性铰链的弹性变形补偿摩擦死区.然而,柔性铰链的固有频率低,其非线性弹性振动严重影响微平台定位精度.为此,本文设计视弹性振动为扰动的自抗扰控制策略,该方法避免了建立非线性弹性振动精准数学模型的困难,利用扩张状态观测器主动估计弹性振动及不确定性,并在微平台位置环补偿之,以保证微平台定位精度.与此同时,在控制律中加入加速度前馈以提高系统响应速度.对于宏平台,采用PID控制作为宏平台位置环的控制策略,并通过宏微双级驱动方式补偿受机械导轨非线性摩擦带来的影响.实验对比结果表明,自抗扰控制在受非线性弹性振动影响时,其抗扰性能、跟踪性能优于传统的PID控制,可保证微平台良好的定位精度.     

二自由度自激振荡系统中阻尼对粘滑运动的调控作用

二自由度自激振荡系统中由摩擦引起的粘滑运动具有复杂性,其产生机理及调控方式有重要的学术和工程应用价值。重点探讨了二自由度自激振荡系统中阻尼对粘滑运动的影响,对摩擦的不连续性采取光滑连续处理,应用改进型Hénon算法对系统方程进行数值求解,并根据庞加莱图对系统运动状态和特性进行确认。研究发现:保持系统其他参数不变,由小到大调节阻尼,滑块的运动依次出现混沌粘滑、周期粘滑、周期滑动和阻滑4种状态;混沌粘滑-周期粘滑、周期粘滑-周期滑动为渐变过程,而周期滑动-阻滑为突变过程,其中突变行为对阻尼的变化相当敏感,当阻尼从2. 501变为2. 502时系统运动状态发生了临界转变。初步探明了阻尼对自激振荡系统运动状态和粘滑行为的作用规律,结果将为粘滑运动调控及阻尼自适应控制提供理论指导。