机器人关节用挠性驱动单元设计与粘弹性动力学建模

设计一种钢丝绳传动、动滑轮组增力的机器人关节用模块化挠性驱动单元,其特点是轻型小巧、安装方便、双向驱动、挠性输出.基于粘弹性本构关系推导该驱动单元动力学模型,并给出算例.提出一种三维相对可变多义线建立"钢丝绳一动,滑轮"系统的方法,利用该方法在动力学仿真软件下建立驱动单元模型,并以双足步行机器人2 km/h步速下髋关节侧偏自由度正常步行一步的样本为依据进行动力学仿真.结果表明该驱动单元能有效应用于机器人,为后续试验奠定理论依据.     

具有张力反馈和关节位置全闭环的挠性驱动单元性能测试

对于仿人机器人,关节采用挠性驱动方式可吸收振动,减缓冲击,以减小对双足步行的影响。为此,设计并研制FDU-II型挠性驱动单元,与FDU-I型挠性驱动单元相比,具有轻量化、有安全保护、锁紧器使用方便、刚度高、输出精度高等优点;分别进行FDU-II型挠性驱动单元的转速测试、驱动能力测试、大转角频繁往复运动测试、频响测试、机器人步行样本测试等性能测试及用于双足机器人上的步行测试试验;针对等幅值下,频率越高电动机转速越大,机械系统受电动机额定功率所限无法测出其截止频率的问题,提出一种变幅值变频率的频响测试方法,即令电动机转动频率越高时,幅值越小,保证电动机始终不超过额定功率,该方法可有效解决电动机额定功率一定情况下系统截止频率的测试问题;测试结果表明FDU-II型挠性驱动单元在负载力矩12.6 N·m时,其输出转速达到77.5o/s,且频响达到6.1 Hz,表明FDU-II比FDU-I有更高带宽及更大功率;步行试验结果表明FDU-II型挠性驱动单元有足够的驱动能力驱动双足机器人髋关节等关节,并实现稳定的双足步行。     

挠性机器人逆动力学显式模型

提出了挠性机器人逆动力学问题的一般模型，并通过对其实施线性化，得到了线性解耦的由运动条件方程和动力条件方程联立的逆动力学基本方程。同时，利用逆动力学基本方程的特点给出了逆问题的显式模型，并将该法用于平面ｎ杆弹性手臂建模。最后就三连杆弹性手臂进行了仿真，验证了本方法的有效性。     

外骨骼机器人半径轮绳轮驱动技术研究

通过倾角计测得人体抓举重物过程中肘关节和肩关节的角度变化曲线,在Solid Works中建立上肢三维模型,运用ADAMS仿真计算出抓取重物时的关节力矩,设计得到变半径绳轮的外形轮廓坐标。在相同条件下对比等半径轮驱动时所需要的功率,变半径轮绳轮驱动方式具有有效节能的优点。     

四足机器人液压驱动单元变刚度和变阻尼负载特性的模拟方法

基于机理建模方法建立了液压驱动单元位置控制系统数学模型,针对不同环境结构下负载刚度和负载阻尼的动态变化特性,把位置控制环作为控制器内环,推导了一种变刚度和变阻尼负载特性的模拟方法。建立了负载特性模拟方法的仿真模型,并在液压驱动单元性能测试平台上进行了模拟方法的实验测试,研究了斜坡阶跃负载力和正弦负载力下变刚度和变阻尼负载特性的模拟效果。研究结果表明：设计的模拟方法能够较好地模拟环境刚度参数变化、阻尼参数变化,以及刚度参数和阻尼参数同时变化时的负载特性。     

一种柔索驱动超冗余度机器人结构及驱动机构设计

为了解决作业空间狭窄的问题,设计了一种绳驱动的蛇形臂结构,机器人关节之间采用虎克铰连接,通过3根钢丝绳协同运动驱动各个关节.研究了每个杆件的驱动钢丝绳分布方式和位置,计算了驱动所需的最大拉力,计算了驱动参数,并设计了试验方案,通过对比实际运动轨迹与理论轨迹验证了计算参数的正确性.     

欠驱动机器人研究综述

欠驱动机器人是指控制输入小于系统自由度的机器人,具有重量轻、成本低、能耗低等众多优点,目前已引起学者们的广泛关注。重点介绍了欠驱动机械臂在动力学建模、动力学特性、可控性分析、轨迹控制和系统的稳定性、鲁棒性研究等方面的发展现状,并对欠驱动机器人的研究方向进行了展望。     

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。     

微小型螺旋驱动管道机器人建模与分析

介绍了基于管道内径为15mm的螺旋驱动管道检测机器人的组成及工作原理，分析了其运动力学性能及在弯管内的几何约束条件。应用机械系统动力学仿真软件ADAMS，建立管道机器人的虚拟样机。通过计算机仿真得到机器人牵引力与驱动轮位置参数和尺寸参数之间的关系数据，证明了理论分析的正确性，同时为研制微小型螺旋式管道机器人提供设计依据。     

多节式螺旋双驱动可变径管道机器人设计及其运动分析

为了提高驱动能力和管道通过性,增大变径范围,创新性地设计了一种基于螺旋驱动原理的多节式螺旋双驱动可变径管道机器人结构,以方便实现直径为250～300 mm的管道的探查功能。该机器人由2个螺旋驱动单元和1个中间支撑单元构成,通过刚柔混合变径机构来适应具有50 mm直径变化的管道。在机械系统详细设计及驱动电机初步选型的基础上,着重分析了机器人通过垂直管道的动力学问题,并通过建立虚拟样机模型,对理论分析结果及电机驱动力矩进行了验证。结果表明,该机器人具有优良的管道通过性,为同类型管道机器人的研发提供了技术支持。     

具有关节角反馈的绳驱动拟人臂机器人机构设计与张力分析

将绳驱动与并联机构技术应用于拟人臂机器人上,设计一种绳驱动的串并混联拟人臂机器人。其特点之一是在拟人臂的各个旋转关节安装有旋转编码器,采用关节角反馈的控制方法,提高了机构的控制精度。特点之二是通过刹车线结构的使用,实现了机构肩、肘、腕关节的完全解耦,并根据旋量理论,对肩、腕关节所使用的绳驱动球面并联机构进行弱耦合研究,简化了机构的运动学公式。讨论驱动绳索的张力变化关系,针对绳驱动机构的特点提出相应的混合控制策略,并且通过试验验证了机构的可行性和算法的有效性。     

两关节绳驱式欠驱动手爪设计与仿真分析

传统攀爬机器人的抱持机构都是采用全驱动的机构,具有结构复杂,控制繁琐,无自适应的缺点.为了改变这种状态,提升攀爬机器人抱持机构的抱持性能,设计了一种基于绳驱式欠驱动原理的抱持机构,具有结构简单,驱动源较少,自适应好的优点.同时对此欠驱动机构进行静力学模型的建立,并运用ADAMS/Cable模块对欠驱动手爪进行运动学以及...     

绳驱动仿人机器人下肢设计与仿真分析

仿照人体骨骼肌驱动,提出一种基于绳索驱动的新型拮抗驱动方式,采用一对电机带动绳索的方式对关节进行冗余驱动;基于绳索驱动方式完成仿人机器人下肢结构的设计;在给定的机器人运动轨迹下得出绳长的变化规律;利用逆动力学分析求解出机器人的关节力矩,采用优化方法求解出驱动关节两侧绳索的最优驱动力;最后利用ADAMS软件对绳索驱动机器人下肢进行动力学仿真,仿真结果验证了绳索长度驱动的可行性以及拉力计算的正确性。对于仿人机器人以及康复机器人的设计具有一定的借鉴意义。     

石油井下牵引机器人驱动单元优化设计

由于石油井下牵引机器人的工作空间限制,在满足足够大的牵引力的同时,还需要具有小的外径尺寸。通过建立轮式牵引机器人驱动单元的受力模型,改善轮式牵引机器人的牵引性能。在同一管径水平井内,研究影响牵引性能的各个部件,确定爬行轮直径、驱动臂以及推杆长度。利用MATLAB软件进行优化分析,并通过采用模块化驱动单元,计算牵引机器人的牵引力、驱动转矩的变化规律,证明了优化设计的可行性。     

三自由度绳驱动并联机器人运动学分析

本文提出了一种新型的三自由度绳驱动并联机器人,在阐述其结构特点的基础上,并对其运动学机构进行了分析,建立了该机构位置的正反解方程,进行了数值分析,为该类机器人机构的开发研究提供了一定的理论基础.     

参数摄动对四足机器人液压驱动单元位置控制特性影响

高性能四足仿生机器人的设计要求驱动其关节运动的液压驱动单元具有良好的动态特性,但由于液压驱动单元工作参数摄动和其固有的复杂非线性,使得多数情况下液压驱动单元的控制性能受到制约.采用机理建模方法,针对四足机器人采用的一种对称阀控制对称缸的液压驱动单元结构,综合考虑控制器饱和特性、伺服阀压力-流量非线性、伺服缸活塞初始位置变化、库伦摩擦非线性等因素的影响,建立了液压驱动单元非线性数学模型,给出了其液压固有频率和阻尼比表达式;运用Matlab/Simulink软件系统搭建了其非线性仿真模型,在相同工况下,分析了不同控制器比例增益的液压驱动单元位移阶跃响应的仿真及试验结果,以验证仿真模型;并搭建了液压驱动单元性能测试试验台,通过仿真与试验分析,进一步研究了控制器比例增益、系统供油压力、液压驱动单元初始位移、负载力、负载质量、负载刚度对液压驱动单元动态特性的作用机理和影响规律.研究结果表明,建立的非线性数学模型准确、实用,且以上参数的改变均会对液压驱动单元位置控制特性产生不同程度的影响,其影响规律可为四足仿生机器人液压驱动单元控制器参数的在线优化奠定基础.     

冗余度柔性机器人最优关节驱动力矩规划

对冗余度柔性机器人最优关节驱动力矩规划进行了研究，以三杆柔性机器人为例进行了最优关节驱动力矩规划的数值模拟，并对结果进行了分析。     

服务机器人变刚度关节驱动系统设计

针对现代服务机器人安全性、环境适应性和能量利用率等问题,提出了一种可变刚度的关节驱动系统,该系统利用一种并联且具有特殊几何结构的平面扭簧作为弹性模块以实现其变刚度特性。分析了平面扭簧的刚度特性,通过对平面扭簧的结构特点及其力学特性的分析,建立了扭簧刚度与偏转角度及扭簧刚度与预紧量之间的关系,为关节驱动系统的性能优化提供了理论依据。仿真结果表明,所用平面扭簧偏转角度约为7°,刚度变化范围大,能够满足服务机器人关节刚度需求。该系统既保留了刚度可变的特性,又减少了弹性模块所占的空间体积,并大大简化了系统的结构,便于维护。     

水下机器人关节电机驱动系统研究

针对水下机器人关节电机驱动系统体积和功耗大的问题,根据对其系统原理和结构的分析,提出了一种采用高集成度器件、小型封装、多层印制电路板、低功耗器件、电能管理等方法来减小其体积和功耗的方法。研制了一套水下无刷直流电机驱动系统,该系统包括驱动电路、控制算法与控制界面,测量了驱动电路的面积和功耗值,并进行了速度伺服实验。研究结果表明:驱动电路的面积减小到仅为8.2 cm2,可以将其直接装入电机中;驱动系统的静态功耗和动态功耗分别为0.24 W和0.5 W,满足水下作业时的低功耗需求;电机装入操作臂时,给定120 r/min参考转速,电机能够在1 s内稳定,并准确地跟踪给定转速,完成水下作业任务。     

下肢外骨骼助力机器人关节驱动设计及试验分析

针对人体下肢关节特点与助行要求,设计了外骨骼机器人关节结构;通过ADAMS软件仿真,分析了外骨骼机器人水平助行过程中关节功率配置需求,根据关节需求设计了外骨骼电液伺服驱动系统;为满足外骨骼机器人对人体下肢关节助力及柔顺性要求,提出了基于关节误差估计的PID控制方法。详细介绍了外骨骼机器人下肢关节结构的运动形式与技术参数,优化配置了关节结构的运动范围与驱动行程,对该机器人进行了运动学分析并通过外骨骼的典型动作进行验证;划分了外骨骼助行过程中步态与关节驱动映射,给出误差估计与补偿PID控制的具体参数;分别从关节跟踪与助力功率的角度,量化分析、对比了基于关节误差估计与常规PID两种控制方法的助力指标参数。试验结果表明,所设计外骨骼关节与驱动系统可实现穿戴者助力行走;对比常规PID控制,抑制了关节驱动控制输出区间的不连续,改善了关节跟踪误差,提升了助力效果与柔顺性。