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。     

仿人型跑步机器人矢状面起跳运动的实现

针对仿人型跑步机器人实现起跳动作时没有考虑腿部质量或将机器人质心固定在身体上某点的不足,提出了一种新的方法实现跑步机器人矢状面内的起跳动作:利用“虚拟腿”的概念,求出机器人质心的轨迹,然后对某些广义坐标进行规划,通过求解非线性方程组计算出机器人在每个时刻的运动学参数。最后根据动力学方程求出各个关节的驱动力矩。仿真结果表明:机器人跑步时各个关节角度和关节驱动力矩变化平稳,因此起跳动作设计合理。     

双臂机器人机构力方向可操作性研究

在单臂机器人机构力可操作椭球和力方向可操作度的基础上，定义了双臂机器人机构力和力矩方向可操作度，以力方向可操作度为目标函数，给出了最佳传力方向和最佳传力操作位形的优化方法，结果显示双臂机构的传力性能优于单臂机构。     

仿人机器人跑步运动的实现与速度控制

以仿人机器人动力学方程为基础,采用＂虚拟腿＂的方法,实现仿人跑步机器人三维方向的跑步动作。在起跳阶段通过求解＂虚拟腿＂的二自由度动力学方程,确定机器人质心的轨迹,在飞行阶段机器人质心按照自由落体运动;然后对机器人双脚的运动和上臂的运动进行规划,通过机器人动力学方程求解各个关节的力矩。最后通过调节机器人在起跳阶段最初时刻＂虚拟腿＂和铅垂线的夹角控制机器人的跑步速度。仿真结果表明,机器人可以实现稳定的跑步动作,并可以很方便地对前向跑步速度进行控制,证实了文中所介绍方法的有效性。     

一类新的冗余度机器人关节运动优化方法

针对冗余度机器人机构的关节运动优化进行研究.在机器人力可操作椭球及方向可操作度的基础上,定义冗余度机器人力方向可操作度,以力方向可操作度为性能指标,给出了冗余度机器人关节运动优化的一种新方法.与基于伪逆的优化结果比较,本文优化使得机器人力方向可操作度达到期望值的时间明显减少,在给定方向上力的传递性能得到改善,且能避免奇异.     

基于速度方向可操作度的冗余机器人关节轨迹优化

针对冗余度机器人机构的关节轨迹优化进行研究.在机器人速度可操作椭球和方向可操作度的基础上,定义冗余度机器人速度方向可操作度,以速度方向可操作度为性能指标,给出了冗余度机器人关节轨迹优化的一种新的方法.与伪逆优化结果比较,本文优化方法使得机器人速度方向可操作度达到期望值的时间明显减少,在给定方向上的传速性能得到显著改善.     

3-CU^并联机构运动和力传递性能分析

以空间三自由度平移3-CU^并联机器人机构为研究对象,基于速度雅克比矩阵,定义速度和力方向的可操作度,度量机构在给定位形条件下沿不同方位速度和力的传递性能;以雅克比矩阵条件数,度量机构在给定位形条件下速度和力传递的各向同性。研究表明,速度和力方向可操作度可直观度量机构沿不同方位的传速传力性能,同时可方便地确定最佳传速传力方位;传速性能最优的方位,传力性能最差,动平台沿垂直方位运动时传速性能优于传力性能,沿水平方位运动时传力性能优于传速性能;各向同性分析表明,当机构沿轴方位运动时,各向同性优于其他方位,改变定长支链的长度影响各项同性指标的变化,动平台外接圆半径变化对机构各项同性无影响。研究结论对3-CU^并联机器人运动规划具有明确的物理意义。     

3-CU^并联机构运动和力传递性能分析

以空间三自由度平移3-CU^并联机器人机构为研究对象,基于速度雅克比矩阵,定义速度和力方向的可操作度,度量机构在给定位形条件下沿不同方位速度和力的传递性能;以雅克比矩阵条件数,度量机构在给定位形条件下速度和力传递的各向同性。研究表明,速度和力方向可操作度可直观度量机构沿不同方位的传速传力性能,同时可方便地确定最佳传速传力方位;传速性能最优的方位,传力性能最差,动平台沿垂直方位运动时传速性能优于传力性能,沿水平方位运动时传力性能优于传速性能;各向同性分析表明,当机构沿轴方位运动时,各向同性优于其他方位,改变定长支链的长度影响各项同性指标的变化,动平台外接圆半径变化对机构各项同性无影响。研究结论对3-CU^并联机器人运动规划具有明确的物理意义。     

欠驱动三刚体仿袋鼠跳跃机器人落地冲击分析

根据袋鼠的生物结构特性,建立了液压驱动的欠驱动仿袋鼠跳跃机器人三刚体模型.利用拉格朗日方法建立了机器人在着地阶段的动力学方程及主、被动关节动力学耦合方程,利用Maple 15进行符号计算得出耦合因子.结合实例,应用Matlab7.0分别对碰撞力、地面的反作用力、系统动能、及总质心在y方向上的位移变化进行了计算和仿真;并与全驱动的仿袋鼠跳跃机器人刚性模型进行了对比分析.还通过跳跃机器人两种模型的跳跃模拟对比实验,用加速度传感器测得落地冲击时质心加速度曲线.结果表明:弹性元件的引入有效地起到了缓冲的作用,减轻了着地时机器人与地面的振动和冲击,提高了跳跃机器人的落地稳定性,节省了系统损耗的能量.     

双臂机器人机构速度和力方向可操作度研究

在机构速度、力可操作椭球基础上，定义了双臂机器人机构速度和力方向可操作度，以方向可操作度为目标函数，给出了机构最佳传速、最佳传力方向和最佳操作位形的优化方法，结果显示双臂机构的传力性能优于单臂机构。     

体能训练机器人操作臂交互轨迹规划方法

体能训练机器人操作臂的力方向可操作度直接影响着运动轨迹规划精度。基于此,研究了体能训练机器人操作臂交互动态轨迹规划方法,分析体能训练机器人操作臂的力方向可操作度,利用多维支持向量机代替高斯混合模型,在李雅普洛夫第二方法的基础上确定稳定性约束条件,构建基于支持向量机的轨迹规划模型,实现体能训练机器人操作臂交互动态轨迹规划。实验结果表明,所提方法的角位移更小、噪声识别值和超参数更高,验证了所提方法轨迹规划弹性规划能力较好且轨迹规划精度较高。     

基于小驱动力矩函数驱动的多足步行机器人轨迹规划问题研究

在研究轨迹规划中,用小驱动力矩函数控制机器人的质心运动,降低机器人关节的驱动电机的功率问题。文中首先对相关理论进行了描述,根据多足步行机器人的运动关系导出机器人的质心运动规律与关节驱动变化在能耗上的联系,并利用泛函理论导出小驱动力矩函数。在机器人ZQROT-I运行直线步态过程中,采用该函数控制机器人质心的运动,利用ADAMS对机器人的运动性能进行了分析,并将结果与机器人轨迹控制中采用其他函数的运行结果进行了对比分析。结果表明,采用小驱动力矩函数控制机器人的质心轨迹运动,在节省机器人运行能耗方面有一定的作用。     

欠驱动柔性机器人的动力学建模与耦合特性

运用有限元法,建立具有柔性杆的欠驱动机器人的动力学一般模型。以此模型为基础,分析系统的主动与被动关节的加速度耦合和被动关节与驱动力矩的动力学耦合效应,并针对欠驱动柔性机器人,提出柔性杆弹性变形分别与主动关节、被动关节动力学耦合的新指标。将欠驱动柔性机器人的被动关节加速度耦合和力矩耦合仿真结果与刚性系统相比较,在某个驱动器位置,柔性系统得到较大的耦合值,说明此时柔性系统更加有利于能量的传递,体现了杆件的弹性变形对系统动力学特性的影响。同时,数值仿真还表明这些动力学耦合指标对欠驱动机器人的结构设计、位形设计、驱动装置位置及系统控制都具有重要意义。     

自变位履带式管道机器人动力学分析及仿真研究

为缩短管道检测机器人的开发时间,提高产品的质量,对管道机器人进行动力学分析及仿真研究至关重要。基于ADAMS对管道机器人添加运动副、驱动力矩、接触力、摩擦力和重力,进行了管径适应仿真和运动仿真,得到管道机器人虚拟样机在竖直弯管内运动时质心处的位移、速度、加速度以及驱动力矩曲线。对仿真结果进行分析,证明其在弯管内运动平稳可靠,为其后续试验及应用提供了理论基础,也为原理样机的结构设计提供了理论依据。     

3-RRR平面并联机器人位姿的方向可操作性

基于速度雅克比矩阵,定义3-RRR平面并联机器人机构速度和力的方向可操作度,以此作为评价指标,度量机器人在给定位形条件下速度和力的传递性能.结果表明,3-RRR平面并联机器人机构在操作空间内同一位置,有8种位形满足要求,且不同位形的传速和传力性能不同.对任一确定位形,传速性能强(弱)的方向上表现出传力性能弱(强).     

欠驱动仿袋鼠跳跃机器人动力学耦合研究

根据袋鼠的生物结构及运动特点,建立了具有欠驱动关节的仿袋鼠跳跃机器人模型。以此模型为基础,分析系统的主动关节与被动关节之间的加速度耦合效应。采用拉格朗日方方法建立了机构的动力学方程。结合实例,运用Matlab软件对机器人进行仿真分析,给出了机器人全局单关节耦合变化规律。结果表明:仿袋鼠跳跃机器人的踝关节与欠驱动关节间存在足够大的耦合并且通过动力学耦合来控制欠驱动关节的位置是可能的。动力学耦合指标对欠驱动机器人的结构设计和驱动装置位置有重要作用。     

基于Kane方法的仿鱼机器人波状游动的动力学建模

提出了基于Kane方法的仿鱼机器人波状游动的动力学模型。通过对鱼体波状游动的运动学描述,将仿鱼机器人离散成刚性头部、柔性身体和摆动尾鳍三个部分并划分为多个运动环节进行分析,考虑鱼体外部环境的作用力:流体附加质量、流体加速作用的弗劳德—克里洛夫力、鱼体游动过程中的阻力特征,建立仿鱼机器人的动力学模型。数值实例表明,利用该动力学模型,能够有效地实现给定鱼体各环节的运动参数求解作用力矩、给定作用力矩求解运动规律,进一步设计仿鱼机器人各环节的运动规律,寻找一种实现鱼体推进力最大和推进效率最高的规划方法。该动力学模型的建立为研究仿鱼机器人的运动控制算法和规划算法,揭示鱼体利用流场能量的动力学机理提供了重要理论支撑。     

一种绳索驱动平面机器人的运动性能

针对绳索驱动平面机器人的运动性能在工作空间内的分布规律进行了研究。介绍了绳索驱动平面机器人的构型和工作原理;建立了该机器人的运动学和动力学模型,并讨论了该机器人的工作空间和系统可操作度的评价指标;采用结构矩阵的条件数定义了该机器人的灵巧度衡量指标;通过实例计算分析了运动性能指标在工作空间内的分布规律。结果表明,在工作空间内,不存在奇异位形或不定位形,而且该机器人具有较好的运动和力传递性能,且在工作空间中心区域的运动和力传递性能要优于边界区域。研究结果为该机器人的进一步研究任务规划提供了基础。     

考虑柔性腰部的仿猫机器人落地冲击分析

针对四足机器人从空中无意跌落或被空投时的安全着陆问题,提出了一种考虑柔性腰部的仿猫机器人机构模型,分阶段讨论了机器人的受力和运动情况;采用拉格朗日函数在能量分析的基础上建立了动力学方程;根据动量矩定理,结合经典碰撞理论,建立了碰撞过程中的动力学方程;建立了仿真模型,分析腰部扭簧对落地冲击的影响。仿真结果表明,腰部增加扭簧可以降低前、后腿触地的反作用力,前、后髋关节主动力矩,前、后腿触地时质心竖直加速度,并且使各变量变化更平缓,因此得到更好的落地缓冲性能,并研究了腰部扭簧的弹性系数和阻尼系数与各变量的变化关系。计算了不同弓背角度及前、后腿高度差情况下的地面反作用力、质心竖直加速度。结果表明,增大弓背角度可以减小质心竖直加速度,改变前、后腿高度差会改变前、后腿的地面反作用力分布。该文为进一步研究仿猫机器人的结构设计和落地的控制策略奠定了基础。     

移动手臂对机器人越障性能影响及运动规划

工作在废墟中的搜救机器人应具有一定的越障能力.由于质心决定越障稳定性和成功性,故提出基于质心坐标公式和机器人运动学的质心运动学模型,通过此模型可获取机器人在越障过程中质心变化情况,分析移动手臂姿态对跨越壕沟的影响,并得到最优跨越壕沟的初始和最终位置和速度.由于移动手臂的动态特性影响机器人越障稳定性,故通过建立的其动力学模型和零力矩点(Zero moment point,ZMP)稳定判据,分析移动手臂动态特性对跨越障碍的影响,并规划出最优加速度.最后通过试验验证了分析结果及动作规划的正确性.