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。     

蛇形机器人动力学建模的虚设机构法

基于应用影响系数和虚功原理,通过虚设动力机构提出一种蛇形机器人动力学建模方法,导出考虑骨节侧向滑动条件下的蛇形机器人二阶非完整约束方程。应用这种方法无需进行繁琐的求导或消元运算,可直接基于所给公式编程进行蛇形机器人正逆双向动力学仿真,从而为研究蛇形机器人的动力耦合特征和开发具有二阶非完整约束的蛇形机器人的运动控制器,提供一种实用有效的方法。该方法不仅适于平面运动蛇形机器人,还可进一步推广实现空间运动的蛇形机器人的动力学建模与仿真。     

模块化蛇形避障机器人控制系统研究

为了能够让机器人适应复杂多变的环境，设计一种能够在多重复杂的障碍物中前行运动并完成侦查任务的新型可移动柔性蛇形机器人。采用用于整体控制的Atmega128单片机和局部电机控制的Atmega8单片机相通信以及重构模块化控制结构的方式，使蛇形机器人具有多步态运动能力。通过分析避障原理，设计了机器人的机械和电气部件，使其能够以高集成化的特点在复杂环境中完成特定的任务。     

蛇形机器人模块化结构设计与蜿蜒运动研究

基于生物蛇的结构特点,提出了一种模块化的蛇形机器人结构。在分析Serpenoid曲线的基础上,研究了蛇形机器人的运动轨迹,并将运动曲线离散化。然后,利用Matlab软件进行仿真,总结了各个参数对蛇形曲线形状的影响,确定了蛇形机器人蜿蜒向前和左右转弯时的蛇形曲线参数。     

攀爬蛇形机器人越障静态机理研究

介绍了蛇形机器人运动模式的研究现状并提出了一种进行外攀爬的蛇形机器人结构,该蛇形机器人有16个PR-T模块单元,P-R-T模块是一种在P-R模块的基础上添加一个平移运动组件的模块。这种结构使得该机器人姿态调整运动与前进运动分离开来,使机器人运动控制更加简便。基于这种结构对蛇形机器人进行了运动学建模,通过对其越障运动规划与各P-R关节位置及关节转角的分析,提出了一种攀爬蛇形机器人越障方法。通过MATLAB软件进行攀爬蛇形机器人越障仿真,验证了越障方法的正确性。     

形状记忆合金驱动的蛇形机器人建模方法研究

针对仿蛇形机器人关节多、模型复杂等特点,采用CATIA和MSC.ADAMS软件对蛇形机器人进行了从样机模型建立到运动学仿真与分析等一系列研究;并根据STEP5函数具有一阶与二阶导数连续、较高的逼近程度等特性验证了蛇形机器人前后移动和左右转弯步态可行性;找到了一种在ADAMS环境下求解机器人运动的方法,简化了理论计算,提高了设计效率。     

具有万向机构的蛇形机器人运动控制

设计了一种能够使蛇形机器人运动更灵巧、奇异点更少和运动能力更强的机构．对具有三个自由度的新型蛇形机器人单元进行了改进，在单元上增加被动轮机构，使其具有万向机构的特点。该单元不仅能够用被动轮驱动机器人运动．而且增加了类似于主动轮的驱动机构．克服了被动轮驱动能力弱的缺点，增强了机器人的运动能力。在分析非完整约束的基础上，对蛇形机器人的运动学和冗余度进行分析，提出了控制该类蛇形机器人运动的分解矩阵方法和分组交替运动法。     

基于神经步进激励机制的蛇形机器人环境自适应仿生控制策略

针对已有的蛇形机器人在环境适应过程中步态调整策略复杂,参数调整时间长的问题,引入神经步进激励机制,提出一种基于多模态中枢模式发生器模型的简单快速的仿生控制策略。构建能够产生蛇形机器人多种步态的多模态中枢模式发生器模型,并基于仿生学原理提出神经步进激励机制。通过对蛇形机器人三种主要步态的运动学分析,得出其运动性能与控制参数之间的关系,利用神经步进激励机制并结合蛇形机器人自身的运动特性建立蛇形机器人环境自适应仿生控制策略。通过仿真将该策略与传统蛇形机器人控制方法进行对比,并利用试验验证了该策略的有效性。     

用形状记忆合金驱动的一种新型蛇形机器人

利用形状记忆合金弹簧和普通钢丝弹簧联接作为动力驱动元件设计制作的一种蛇形机器人，其动作靠电流的通、断来控制。每节均可加热、冷却，使蛇形机器人做前后、左右、转弯运动及绕攀上、下爬行。其制造成本低，能在恶劣环境中工作，特别是在水下工作，可用于在灾害事故中寻找人或物，在细长管道中查找故障，也可用在开发儿童智力玩具中。     

一种蛇形机器人的直线蜿蜒运动规划

针对蛇形机器人的蜿蜒运动,分析了其运动机理,在虚拟样机软件中导入了蛇形机器人结构模型,建立了动力学方程,对蛇形机器人的运动轨迹进行了规划,分析了关节角度函数中转角幅值、摆动频率、相位差、比例因子以及静摩擦系数对其运动轨迹的影响。结果表明,通过合理设置关节角度函数中的各个参数,能保证蛇形机器人的运动具有基本的稳定性,且一定范围内的参数变化能实现最佳直线蜿蜒运动。最后,给出了各个关节的驱动力矩,为驱动机构的选型和物理样机的加工提供了理论依据。     

Tripod gait-based turning gait of a six-legged walking robot

The turning gait planning and improvement methods of a six-legged walking robot on the basis of tripod gait are presented in this study. A projection method that considers an unstructured environment is proposed for the turning gait planning of the six-legged walking robot. The body and foot motion trajectories of the swing legs are planned with polynomial curves to keep the robot steady while walking. Two basic turning gaits, namely, circling and spinning gaits, are successfully designed with the planning method. An optimized method is proposed to improve the turning angle, which is subjected to stability, kinematics, and relief amplitude constraints in the unstructured environment. The turning ability of the turning gait is improved with the optimized turning angle. The circling and spinning gaits are implemented in simulations and experiments. Results demonstrate that the planning and improvement methods for the turning gait are valid and correct.

     

三连杆轮式蛇形机器人设计及运动分析

为了克服被动轮驱动蛇形机器人运动能力弱的缺点,提出了一种新型三连杆主动轮驱动蛇形机器人。该蛇形机器人由多个被动关节连接的串联连杆组成,每个连杆的中心都有一个主动全向轮。全向轮的驱动力只作用于横向,而机器人则沿纵向运动。此外,针对该蛇形机器人具有非完整约束和欠驱动的特点,采用局部坐标系,设计了一种带有防滑功能的运动控制器,使运动和关节角度互不干涉。蛇形机器人蜿蜒爬行实验结果表明,所提出的设计是可行的,且运动控制器有效避免了全向车轮的打滑问题,提高了整个系统的稳定性。     

一种周期性运动蛇形机器人的运动规划及实验研究

设计完成了一种可作周期性前进运动的蛇形机器人,按照蛇形机器人运动要求,分析规划了其运动模式,对其关节角运动周期性等关键问题进行了较为深入地研究。最后,在建立蛇形机器人动力学模型的基础上,设计制作了蛇形机器人,并进行了实验研究。研究结果表明:所用规划方法为蛇形机器人的运动设计提供了一种成功的思路,其运动实现取得了良好的效果。     

蛇形机器人的机构设计及运动分析

蛇形机器人以其独特的身体结构和运动形式能够适应各种复杂环境。为了验证蛇形机器人的运动能力,设计了一种前进中可做周期性运动的蛇形机器人,重点讨论了其关节机构的设计和运动原理;通过建立蛇形机器人运动的数学模型,并结合其运动的周期性,详细分析了三连杆模型的运动步态特性。研究结果表明,三连杆运动步态提高了蛇形机器人的运动能力。     

蛇形机器人桥梁缆索攀爬步态控制研究

使用基于迭代链拟合与关键帧提取的蛇形机器人缆索攀爬步态生成方法,对一种正交关节蛇形机器人桥梁缆索攀爬步态控制进行了研究。该方法可建立蛇体骨干曲线定向位移与底层驱动器输入之间的联系,可将传统的骨干曲线法和控制函数法两种步态生成方法的优点有效地结合。使用该方法生成步态既可直观地得到骨干曲线的形状及运动趋势,又可得到以关节号和时间为变量的控制函数。该方法可有效提高蛇形机器人桥梁缆索攀爬的安全性、步态灵活性,同时,也便于控制底层驱动器。最后,通过实验验证了所提出方法的有效性。     

蛇形机器人蜿蜒运动的摩擦机理及推进条件

针对带有从动轮的蛇形机器人,考虑实际结构中从动轮在蛇形机器人关节连杆上的安装位置,建立蛇形机器人蜿蜒运动的动力学模型。提出一种库伦-粘滞混合摩擦力模型,整体的库伦摩擦力特性和临界点处的粘滞摩擦力特性,避免了库伦摩擦力模型本身的非光滑性,以提高动力学模型的求解效率与计算稳定性。基于改进的动力学与摩擦力模型,利用摩擦系数比来表征法向与切向摩擦力的各向异性程度,通过对蜿蜒运动的仿真分析,讨论了摩擦系数比对前向运动速度与推进效率的影响规律,并对运动过程中蛇形机器人各个关节模块的速度和摩擦力变化进行了分析,明确了蛇形机器人蜿蜒运动的摩擦学机理,解释了蛇的蜿蜒抬起运动能够有效减少摩擦阻力而适用于高速运动的原因。最后通过带从动轮的蛇形机器人样机实验,对实现蜿蜒运动的摩擦学推进条件进行了验证。研究对于实现蛇形机器人的结构优化,步态规划与运动控制具有重要的理论意义与实际指导价值。     

基于3-RSR并联机构的蛇形机器人本体构型设计与运动性能研究

蛇形机器人作为仿生机器人的重要分支,身形柔软轻小,运动灵活多变,具备很强的环境适应能力,在军事侦察、地质勘探、灾难救援等领域拥有非常广阔的发展前景。创新性地将并联机构、折纸机构和柔性铰链相结合,设计出一种灵活度高、结构紧凑的模块化蛇形机器人单元,并从数学模型、旋量分析等角度进行合理论证。自主完成硬件电路搭建、控制算法编写,设计蛇形机器人控制系统实现多路直流减速电机协同,并进行仿蛇运动的步态规划。加工制作蛇形机器人样机并完成了特定环境下机器人性能测试。     

45°车把转角下前轮驱动自行车机器人的定车运动

针对无配重调节器的自行车机器人在低速下不易平衡的问题,以一种前轮驱动自行车机器人为对象,给出其力学模型及在45°车把转角下定车运动的实现方法。通过车轮转弯半径分析推导出后轮角速度、车架航向角速度与前轮驱动速度、车把转角的关系,采用拉格朗日方程建立系统的力学模型;根据部分反馈线性化原理,将包含车架横滚角的欠驱动子系统线性化,设计出自行车机器人45°车把转角下定车运动的平衡控制器。仿真控制结果表明,合理选择控制参数,控制器可以快速地实现自行车机器人在45°车把转角下的定车运动;样机试验结果进一步证明,控制器可以使自行车机器人在不超过驱动电动机的力矩容限下实现45°车把转角下的定车运动。定车运动的实现从理论和试验两个方面证明,自行车机器人在低速下可以不需要配重调节器,仅依靠车把转动和前轮驱动保持稳定平衡。