单自由度概率翻转移动连杆机构

基于一种过约束伸缩机构,设计一种单自由度的概率翻转移动连杆机构。通过分析机构的移动原理得出该机构具有两种运动步态,即定向步态和概率步态。定向步态的机构移动有确定的方向;概率步态的机构移动有两个可能方向,此随机过程在理想条件下符合伯努利概率分布。针对机构的移动特性和移动路径,提出使其在平面内任意运动的控制方法。建立移动机构的动力学模型并进行运动仿真。仿真结果表明,通过两种步态的组合控制,可以使机构实现从指定的出发点到达任意的预期目标点的平面移动。制作一台样机,验证了该单自由度机构的移动和转向功能。     

冗余驱动全R副四面体移动机器人

提出一种由全转动副(R副)构成的冗余驱动四面体移动机器人。该机器人主体由六条RRR支链以及四个顶点构件构成,安装有六台舵机,为一种整体呈现正四面体外形的四自由度冗余驱动机器人。应用螺旋理论对四面体机器人进行自由度分析。根据自由度分析规划了机器人的翻滚步态,以该步态机器人可以实现连续运动且正三角形运动轨迹可以覆盖任意目标点。建立机器人的运动模型进行运动学分析,得到了实现翻滚步态的临界条件。建立仿真模型对翻滚步态及其临界条件进行了验证。制作一台样机,验证了该四面体机器人方案设计以及运动规划的可行性,实现了预期的运动效果。结果表明,全转动副设计可提高四面体机器人实用性,且少自由度冗余驱动设计可增加机器人系统可靠性。     

教学型双足步行机器人转向步态规划方法的研究

双足机器人的步态规划包括直线行走和转向两个部分。在直线行走中,髋关节偏转的自由度被限制,而在转向过程中,最终的转向则必须通过髋关节的偏转才能实现。针对双足机器人转向时的步态规划问题,利用关节转向角进行多项式插值的方法,对机器人转向时的步态进行了规划。通过MATLAB和ADAMS建立虚拟样机,对步态规划结果进行仿真,仿真结果验证了步态规划的正确性。     

空间八面体翻滚机器人运动学分析及仿真研究

设计了一种空间八面体翻滚机器人,由6个顶点模块、12个伸缩单元模块以及1个载荷体模块构成;通过控制各伸缩杆之间的伸缩量来改变机器人重心,实现向目标方向翻滚。对空间八面体翻滚机器人的运动学正解和反解过程进行了分析计算,运用ADAMS软件对空间八面体翻滚机器人进行了步态规划及越障能力的动态仿真,验证了运动学分析的正确性,并得到了顶点及质心的运动规律曲线。该运动学分析方法与仿真结果为空间多面体翻滚机器人的优化设计提供了重要依据。     

一种基于3-RPC并联机构的新型步行机器人

并联机构结构简单且具有较高的承载能力,将并联机构用于步行机器人,能够在很大程度上提高步行机器人的载重和行走效率,为此提出一种新型的步行机器人。该机器人本体采用3-RPC并联机构,具有3移动自由度,可以在不调整身体姿态的情况下向任意方向移动。采用螺旋理论分析该机器人实现三维移动的机构学原理并验证了自由度,给出位置反解的算法并绘出工作空间,结合3+3步态对机器人的行走运动进行运动学动态仿真分析,仿真结果显示机器人可以实现连续行走且步态平稳,表明该设计正确合理,具有一定的可行性。此外,由于采用并联机构,与传统多足步行机器人相比,该机器人还有容易得到位置反解等优点,有利于步行机器人的结构设计与运动规划,也拓宽并联机构的应用领域。     

液压驱动缩放支链的并联式滚动机器人

提出一种新型三自由度并联式滚动机器人。该机器人以大变形、强力输出、快速响应和运动灵活为目标,构型上采用提出的新型并联机构为本体以保证机构整体刚度,设计上应用平面缩放支链作为伸缩比放大机构以获得大变形能力,驱动上利用液压执行元件作为伸缩驱动输入以增强滚动机器人运动的灵活性与力量输出。其翻滚运动是通过合理规划与控制机器人质心与支撑区域之间关系而实现。对该机器人构型进行描述,并规划其翻滚运动步态,给出最优运动规则;基于此运动规则建立其运动学模型,并以算例验证了模型正确性;结合运动过程步态规划进行两个翻滚周期运动可行性的理论分析;搭建一套试验系统平台,包括液压系统与试验样机系统,开展四个滚动步态试验;样机试验结果表明了试验样机系统是可靠的且具备快速响应能力,验证了翻滚运动理论分析的正确性以及翻滚运动过程的可行性。     

空间三正交平行四边形滚动机构

提出一种新型的两自由度空间三正交平行四边形滚动机构。该机构由10个连杆、12个虎克铰与4个转动副构成,其外观呈现为两两正交的三个平行四边形,利用平行四边形机构变形失稳机制使机构实现以滚动步态行进,并通过运动副布置与结构设计获得直线行进与灵活变换方向的移动功能。运用螺旋理论,采用先局部后整体的次序分析机构的自由度;根据几何关系建立简化模型,对其进行运动学分析,得到各杆件的质心坐标;分析移动机构的稳定性并讨论其翻滚条件;应用软件建立动力学模型并仿真,完成步态规划;制作一台原理样机,进行试验研究。结果表明,该滚动机构可用较为简单的控制方式实现直线行进与灵活变换方向的功能,并且具有良好的刚度与承载能力。     

四足爬行机器人步态分析与运动控制

为了实现液压作动的四足步行机器人的稳定行走,根据运动稳定裕量原则规划四足机器人的直行步态,保证三足支撑机体时稳定裕量为100 mm;针对液压缸运动加速度突变导致机体冲击振动的问题,提出了利用S型曲线作为各自由度的运动位移控制规律的方法。按照JQRI00型四足步行机器人原理样机的结构建立了虚拟样机模型,应用仿真软件对所设计步态进行了仿真,分析了步态的运动学、动力学特征和位移控制方法的运动特征;在四足步行机器人原理样机上进行了试验,并将试验与仿真结果进行了比较。研究结果表明,所设计的机器人步态可行,保证了机器人具有较好的行走稳定性;将S型曲线用于位移控制,消除了液压缸运动加速度的突变,进一步提高了机体运行的平稳性。     

三足机器人设计与建模

设计了一种6自由度轻型三足机器人,分析了机器人稳定站立和抬腿运动时的自由度,对机器人单腿模型进行运动学分析与理论求解,然后基于运动学模型,利用MATLAB Robotics Toolbox工具箱对机器人足尖工作空间进行数值仿真分析,为后续机器人步态规划和运动控制奠定了基础.     

四足机器人翻滚运动力学分析及仿真

设计了一种具有分段身体结构的四足机器人,通过合理设置身体各部分的协同运动,该四足机器人能够将身体折叠成圆盘状,能以静步态、对角步态进行四足行走,同时还能实现前向翻滚运动。分析了四足机器人调整重心,实现翻滚过程的力学过程。ADAMS动力学仿真的结果表明,此滚动运动模式运动平稳,具有较高的运动效率。     

基于动作捕捉技术对仿人机器人运动学分析与步态仿真

以人类的构造为原型,基于仿生学的角度,设计了一种下肢单腿7自由度的仿人机器人.通过三维光学动作捕捉系统采集人体正常行走时的运动位置坐标,分析数据,获取人体步态行走时的关节角度及下肢各关节力矩变化规律;建立了下肢7自由度运动学模型并进行逆运动学分析,求解出下肢各关节角度的变化情况,并根据步态规划求解出仿人机器人步行运动过程中下肢各关节转动角度;在UG环境中建立下肢7自由度的仿人机器人三维模型,并利用多体动力学软件Adams进行动力学仿真,结合步态运动规划求解出的角度变化情况对仿真参数进行设置,通过虚拟样机完成仿人机器人的步态行走,并将仿真数据和动作捕捉实验获取的数据结果进行对比.研究结果显示,仿人机器人能够实现稳定的步态行走,确认了整体建模思路、运动学分析以及动力学仿真的准确性.以实验结果为基准,仿真所获得的髋关节和膝关节力矩值相对于实验值的相对误差分别为6.7％和9.6％,均在合理的范围内,为仿人机器人结构设计和电机选型提供了依据.     

六自由度平面双足机器人的步态规划

稳定高效的行走是双足机器人在独立工作或者协助人类工作所必备的条件,也是最终目标实现的基础。稳定高效的行走可以通过合理的步态规划来实现。论文根据六自由度双足平面机器人的特点,并考虑到单、双足支撑的光滑过度的重要性,对机器人进行了正逆运动学分析,最后基于三次样条插值法规划出机器人步态,并用仿真试验进行了验证。     

水陆两栖蛇形机器人的研制及其陆地和水下步态

针对沼泽、浅滩等复杂环境对蛇形机器人的环境适应需求,在广泛分析国内外水陆两栖蛇形机器人研究最新进展的基础上,研发一种新型水陆两栖蛇形机器人。该机器人由9个具有密封设计的万向运动单元组成,保证了样机在陆地和水中均能灵活运动。基于简化的蛇形曲线得到水陆两栖蛇形机器人的基本二维运动步态即蜿蜒运动。对两个垂直平面上,即水平面和竖直面上基本步态进行复合,由基于启发式思想的三维步态生成方法,得到包括侧向蜿蜒等运动的水陆两栖蛇形机器人的多种陆地步态和水下步态,其中S形翻滚运动和螺旋翻滚运动为蛇形机器人的两种新型步态。通过步态试验验证了水陆两栖蛇形机器人的陆地和水下运动能力。在试验过程中,对陆地和水下步态的性能做出分析,分析结果对水陆两栖蛇形机器人在陆地和水下运动的位置和姿态控制具有重要意义。     

可折叠双三角锥滚动机构

提出一种新概念的滚动机构,可通过折叠机构的变形,在展开状态下的双三角锥和折叠状态下的椭球体两种外部形态之间进行转换,并相应具有两种滚动模式。在双三角锥形态下,机构通过外形的变化实现滚动,并以偏心质量块驱动方式进行转向的控制;在椭球体形态下,机构运用偏心质量块驱动方式进行直线方向上的滚动。在机构设计上,折叠机构通过1个自由度实现了移动功能的同时减少了存放时所需的空间。通过自由度分析,机构需要三个驱动电动机来实现其所具有的功能。以运动学计算为基础分析双三角锥形态下的翻滚条件并规划滚动步态。建立仿真模型,验证该机构能够完成折叠/展开的动作,并能够按照步态规划进行滚动。制作一台样机,对其进行折叠/展开方式与滚动功能的可行性验证,实现了预期的结果。     

基于ADAMS的四足仿生机器人单腿结构设计

利用ADAMS软件虚拟样机技术,设计了液压驱动的四足仿生机器人单腿机械结构。通过分析四足哺乳类动物身体结构及运动特性,设计了仿生机器人的机械机构,确定了机器人腿部自由度配置,建立了仿真模型。根据动物的实际运动步态,规划并设计了静步态及对角小跑两种步态,进行了逆动力学仿真,得到关节等关键部位输出数据。在仿真实验的基础上,设计了液压作动器的关键参数及四足仿生机器人单腿机械结构。     

基于主动试探的微小型爬壁机器人步态控制

针对欠平滑壁面上微小型爬壁机器人吸盘足吸附失败后的自主行为控制问题,根据机器人的结构设计及运动步态特点,提出基于主动试探的机器人吸盘足着地点自主选择步态控制方法。分析机器人的三种运动模式,以及直线运动和转向运动的基本步态。定义机器人的状态矢量,建立机器人吸盘足的有限状态机模型和状态转移图,并按“就近”原则设定状态转移函数的优先级。以上述研究为基础,提出在缺少壁面环境信息条件下的机器人步态控制主动试探方法。对步态控制方法进行仿真分析,并在实验室模拟环境和实际的飞机外表面环境进行试验验证,结果表明,所提出方法对于改善机器人的控制性能和提高机器人的自主能力是可行和有效的。     

地面移动Altmann连杆机构

提出Altmann连杆机构的一个新用途,将其用来作为地面移动机构,以翻跟斗步态实现沿直线的行走运动,并通过自身扭动与整体反转的步态实现转向运动。提出地面移动Altmann连杆机构的设计概念和构型方案。分析地面移动Altmann连杆机构的移动原理,包括利用奇异位形来实现机构的转向运动。规划出直行和转向两种移动步态。分析两种步态的移动轨迹,并计算两种移动步态的关键参数。研究结果表明,通过对直行和转向两种步态的切换控制,可以使Altmann地面移动连杆机构以固定的步长,从平面上一个初始点移动到另一个目标点。该地面移动连杆机构基于空间单闭链六杆机构,结构简单,刚度好,同时具有良好的折叠特性,便于存储和运输。     

步态训练机器人骨盆运动控制机构研究

提出一种欠驱动4自由度骨盆运动控制机构结构形式,定性分析了机构运动原理和补偿弹簧的作用,并建立了力学平衡方程.利用SimMechanics建立了机构模型,针对正常人步态过程中骨盆的运动状态进行了机构控制仿真,仿真结果表明了该机构实现期望运动控制的可行性.研制了实验样机,针对空载和主动真人不同负载情况进行了实验研究,分析了约束弹簧在不同负载时对控制机构运动的影响情况,结果验证了该样机实现步态中骨盆运动控制的可行性,为进一步完善步态训练机器人提供依据.     

足式机器人单腿缺失故障的容错行走研究

在足式机器人作业时,由于环境因素而导致腿部缺失的现象时常发生。单腿缺失的机器人按照原有的控制方式将无法继续行走甚至站立。为了提高机器人应对实际复杂环境的可持续工作能力,在无附加装置的条件下,提出一种调整后腿侧摆关节,增加稳定相的控制方法。通过对受损后的机器人进行静力学分析计算,得到机器人腿部侧摆关节旋转角度的最优解为21°。按一定梯度选取相邻系列角度值进行仿真试验对比,发现侧摆关节角度为21°时机器人的翻滚角始终在-2°~2°之间变化,并且增加稳定相后机器人的翻滚角变化幅值在16个步态周期后衰减了10.8%,从而验证了所提控制方法的有效性与正确性。     

多仿生步态蛇形机器人分析和实现

为使传统的蛇形机器人具有在不同环境下运动的能力,研究开发了一种具有蜿蜒步态和直线步态的多步态蛇形机器人。对机器人的运动原理、机械结构和控制系统做了介绍,并进行了仿真分析和实验验证。蜿蜒步态采用经典的Serpentine曲线,直线步态采用单驻波以及多驻波蠕动步态。机器人由7个单元模块顺序连接,每个单元模块上各设计了一个摇摆关节和直动关节,单元模块配置独立的锂电池供电、无线通信、电机驱动电路。整个单元模块在机械和电气上完全模块化。仿真中对影响机器人构型和前进速度等参数进行了分析和确定。实验表明,机器人运行可靠、软件控制直观方便,具有在平地上进行蜿蜒运动和直线运动的能力以及在狭窄的管道中进行直线运动的能力。