多机器人系统的编队路径跟踪控制

介绍了一种多机器人系统的编队路径跟踪控制方法。首先将非完整约束机器人的动态方程转化为跟随者和领航员间相对运动模型,克服了非完整约束机器人结构奇异的缺点。随后将滑模控制方法应用于多机器人系统中,分别设计了领航员跟踪希望路径的滑模控制律和跟随者跟踪领航员的滑模控制律。算例仿真表明了应用本文介绍的编队路径跟踪控制律,各机器人能够较快地形成希望的编队,并按希望队形跟踪希望路径。仿真结果验证了此控制方法的有效性。     

关节式履带机器人爬楼梯动态稳定性分析

针对关节式履带机器人攀爬楼梯的动态稳定性问题,提出一种关节式履带机器人与楼梯台阶一点、两点或多点接触的动态稳定性准则判别方法。通过对机器人攀爬楼梯障碍过程的分析,考虑机器人的动作规划、质心惯性力、驱动轮和摆臂轮的惯性力矩、履带棱对楼梯接触作用的影响,建立越障关键姿态的动力学方程。基于机器人爬楼梯的不滑移充分必要条件,结合机器人坐标系中等效牵引力与等效支撑力的比值和履带与楼梯静摩擦因数之间的关系,得到在攀爬楼梯过程中机器人与楼梯台阶一点、两点、三点接触作用的动态稳定性判别准则,结果表明在爬楼梯过程中机器人与楼梯台阶两点、三点接触时易处于不稳定状态,数值仿真结果验证了该方法的有效性,为关节式履带机器人的动态稳定性判断提供理论依据。     

无根欠驱动冗余机器人动力耦合特性研究

无根多刚体系统和欠驱动冗余机器人系统实质上都属二阶非完整动力系统,其位姿空间约束方程不能满足控制要求,一般基于动力学方程对系统进行控制,即通过关节间动力耦合作用约束被动关节运动,因此此类机器人可控性分析的重点在于系统耦合运动特性研究。基于动力学虚设机构法及非完整系统微分变分原理,建立了无根欠驱动冗余机器人的动力学模型;针对虚设关节、主、被动关节进行动力学模型解耦,推导出了系统的二阶非完整约束方程及被动关节的加速度表达式;在此基础上,通过定义表征被动关节耦合运动的性能指标,针对不同位置主动关节输入参数对被动关节可控性的影响进行了仿真分析,得到了提高无根欠驱动冗余机器人可控性的有益结论,为实际欠驱动冗余机器人输入控制提供了参考。     

一种可全向移动爬楼梯轮椅的结构设计与分析

为了帮助下肢残疾者攀爬楼梯,设计了一种可全向移动的爬楼梯轮椅。采用支撑腿和车轮交替支撑的方式实现轮椅爬梯功能。采用Mecanum轮作为轮椅的车轮且用4个电机独立驱动以实现轮椅的全向移动。对轮椅在台阶宽度限定情况下的越障能力和运动学、动力学进行了分析,并结合能量法和稳定裕度法分析了爬梯过程中轮椅的前后向和侧向的稳定性。又对轮椅全向移动特性进行了研究。结果表明,轮椅可以安全地攀爬大多数楼梯而不会翻倒,轮椅的全向移动可以通过控制4个车轮的转速实现。轮椅的结构设计合理,实现了爬梯和全向移动功能的结合。     

蛇形机器人行波运动的研究

对蛇形机器人的行波运动机理进行了研究,基于Serpenoid曲线建立了蛇形机器人行波运动的形状控制模型、运动学模型、机构动力学模型及环境动力学模型,给出了求解过程。仿真结果表明：在行波运动中,各关节输入力矩大小呈周期变化,且随其与蛇体重心距离的增加而减小。蛇体中心关节的最大输入力矩为蛇形机器人所需最大输入力矩。对称关节输入力矩幅值变化规律相同,但相差不同;运动初始弯角保持不变,关节输入力矩随着环境摩擦因数的增加而增加。环境摩擦因数保持不变,关节输入力矩随着初始弯角的增加而减小。     

含闭环运动链的四自由度搬运机器人动力学建模及验证研究

针对重负载机器人在高速运行时容易出现关节驱动电机饱和、关节转矩特性呈现强非线性、不同关节转矩间呈现强耦合、定位残余振动和轨迹跟踪不稳定现象更加显著等问题,对有效解决这些问题所依赖的机器人动力学进行了研究。以含闭环运动链的四自由度重负载搬运机器人为研究对象,采用D-H法进行了运动学分析;提出了一种斜对称矩阵法,避免了矢量叉积和闭环运动链几何约束的重复运算,简化了微分运动学方程的推导过程;采用基于机器人系统能量的拉格朗日法,推导出了动力学模型的解析式;利用Matlab/Simulink对动力学模型的正确性进行了PID位置控制仿真验证。研究结果表明:所得动力学模型能够正确反映搬运机器人的动力学特性,为实验验证模型的正确性提供了参照曲线;所得模型解析式也为基于模型的机器人控制器设计提供了数学基础。     

基于故障在线估计的欠驱动机械臂容错控制方法

为了提高机器人机械臂故障曲线跟踪准确性，本文设计了基于故障在线估计的欠驱动机械臂容错控制方法。分析机器人欠驱动机械臂关节故障原理，建立动力学模型实现对关节故障的检测。采用分散控制的思想将机器人欠驱动机械臂容错控制分为故障检测、信号重构、取代控制以及反馈控制四个部分，依据这四部分设计容错控制律，实现对速度信号与错误信息的实时反馈。在此基础上，通过干扰观测器实现控制律的干扰补偿，使容错控制后的机器人欠驱动机械臂具有抗外界干扰能力，以此完成控制方法设计。分析实验结果可知，所提方法不仅提高了故障曲线跟踪的准确性，减少了欠驱动机械臂容错控制后的稳态时间，满足了机器人欠驱动机械臂容错控制设计需求。     

轮式移动焊接机器人输出反馈线性化控制

针对目前基于运动学模型的焊缝跟踪控制已经不能满足焊缝跟踪的高精度要求的问题,以一种后两轮差速驱动的5自由度轮式移动焊接机器人为对象,给出其动力学模型及其输出反馈线性化的过程,并提出一种基于此动力学的轮式移动焊接机器人路径跟踪控制方法。建立轮式移动机器人具有非完整力学系统形式的动力学模型,并推导出对应的状态反馈精确线性化模型。在此线性化模型基础上,考虑机器人动力学模型参数的不确定性,利用滑模变结构控制方法来设计动力学控制规律,选取线性切换函数和指数趋近律,设计滑模变结构控制器。并利用Lyapunov稳定性理论证明系统的稳定性且跟踪误差收敛,满足了移动机器人的轨迹跟踪要求,且具有设计方法简单、鲁棒性强的特点。通过仿真验证所提控制律的有效性和正确性。     

一种欠驱动AUV模型预测路径跟踪控制方法

本文针对欠驱动自主水下航行器(AUV)的约束路径跟踪问题,设计了一种模型预测路径跟踪控制器。首先定义路径参数的二阶导数作为路径虚拟控制律,并将参考路径的模型扩展到AUV路径跟踪预测模型;然后采用非线性模型预测控制设计了欠驱动AUV的约束路径跟踪控制律,通过对约束优化问题的滚动求解,得到满足约束的扩展控制输入。最后采用REMUS AUV的模型参数对提出的控制律进行了仿真研究,结果说明了控制器在显式处理约束的同时,表现出良好的跟踪效果。     

基于拉格朗日方程的四足攀爬机器人动力学分析

为了增强高空电网维修作业的安全性与稳定性，设计出一种以猩猩为原型适用于电网攀爬的仿生四足机器人，通过SolidWorks进行三维建模。基于自主设计的新型仿生脊椎、夹持力更大的机械爪以及关节式减速机，使得这种四足攀爬机器人具备一定的伸缩躯干功能，提高了机器人在桁架中的避障能力及高空攀爬的运动能力。利用MATLAB Robotics工具箱研究四足机器人机械臂的运动特性，通过拉格朗日方程对运动的机械臂建立计算难度较低且物理意义明确的动力学方程。对工作的机械臂进行运动学和动力学仿真分析，得到机械臂各关节角度、加速度、角加速度和力矩曲线随时间的变化的过程，且各项数据收敛在正常范围内，满足机器人在高空桁架中行走的安全性与稳定性，验证了方案的可行性。     

阶梯攀爬机器人结构及控制方案设计

针对阶梯攀爬机器人工作过程中的楼梯攀爬及避障问题,对阶梯攀爬机器人机械结构、机器人阶梯攀爬方式、差速驱动方式下机器人运动方程进行了分析,对阶梯攀爬机器人行驶过程中障碍物检测、避障控制策略进行了研究;基于模糊控制原理,建立了阶梯攀爬机器人模糊避障规则,提出了一种基于MC9S12XS128单片机以及超声波传感器的阶梯攀爬机器人障碍物检测、避障及楼梯攀爬控制系统,并利用所研制的阶梯攀爬机器人样机进行了机器人避障、楼梯攀爬测试。测试结果表明,基于变形轮与行星轮相结合的阶梯攀爬机器人机构可以实现阶梯攀爬机器人避障及攀爬楼梯的功能,控制系统可以准确、迅速判断障碍物以及楼梯所处位置,并依据所建立模糊避障规则完成避障及楼梯攀爬任务。     

柔顺并联机器人动力学及轨迹跟踪

以含有开槽型柔顺关节的并联机器人为研究对象,对其动力学及轨迹跟踪问题进行研究。根据柔顺关节特性,建立系统分析模型,应用拉格朗日方法建立系统动力学方程。为补偿系统具有的不确定性,分别设计趋近律上界滑模控制策略和径向基函数(Radial basis function,RBF)神经网络趋近律滑模控制策略,基于Lyapunov理论证明了系统的全局稳定性。应用S型速度规划曲线,分别给出直线轨迹和圆轨迹的运动规划算法。仿真结果表明,系统模型及控制策略能够有效实现柔顺关节并联机器人的轨迹跟踪。     

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。     

基于微分几何的欠驱动机器人动力学建模和控制

应用位形流形最小嵌入模型,对带有二阶非完整约束的欠驱动机器人动力学建模和控制进行研究。采用位形流形最小嵌入模型,简化了动力学方程,为欠驱动机器人动力学建模和控制的进一步研究奠定了基础。首先用一个齐次线性方程组表示被动关节的存在,给出基于嵌入模型的动力学方程解的结构。通过引入计算转矩控制法,给出另一个和主动关节及控制输入有关的齐次线性方程组,分析控制输入和这两个方程组解之间的关系,得到一个与控制输入及这两个方程组的解相关的欠定线性方程组,求解该欠定线性方程组,得到欠驱动机器人改进的动力学方程,进而可以运用全驱动机器人控制法来实现最小嵌入模型的控制,解决了由全驱动机器人控制法实现欠驱动机器人关节空间控制的问题。最后以平面二杆欠驱动机器人为例,验证了所得理论的可行性和有效性。     

基于Adams和Matlab的机器人手臂运动控制联合仿真研究

为了提高机器人手臂设计的效率,缩短研发周期,首先在三维设计软件Solidworks中设计出六自由度串联机械手臂的三维模型,再将该模型导入到运动学和动力学分析软件Adams中进行运动学分析,验证虚拟样机模型约束的正确性。该虚拟样机通过Adams/Controls接口模块将虚拟样机导入Matlab软件,通过Matlab/Simulink模块搭建控制系统,导入的虚拟样机作为联合仿真控制系统的机械系统部分。采用基于计算力矩法的系统控制律动态控制关节的力矩,仿真结果显示,机器人手臂关节具有良好的动态响应和准确的轨迹跟踪能力,为实物样机的设计开发提供了有效的参考。     

电力铁塔攀爬机器人直线推杆机构设计与分析

面向输电系统检测及维护作业的自动化,提出并设计了一种可以在电力铁塔表面自由移动的五自由度双臂关节式攀爬机器人,以期代替人工完成危险的高空攀爬检测作业任务.该电力铁塔攀爬机器人机构紧凑,左右机构对称,创新采用直线推杆机构实现两臂张合功能,此机构可良好支撑机器人双臂,相比传统关节设计采用的大转矩电机直驱方式,大幅度降低了对驱动电机的转矩要求.建立了机构CAD模型.进行了静力学分析,并在动力学仿真软件Adams软件环境下进行仿真.通过和电机直驱关节方法比较,分析和仿真结果均表明采用直线推杆机构可减小驱动电机转矩.样机试验结果表明电力铁塔攀爬机器人系统的设计组成原理合理,系统方案成功可靠.     

风电叶片检测机器人设计与运动仿真研究

为了降低风电叶片检测维修的成本,综合设计制作了一种可以在叶片表面攀爬检测的六足机器人。根据叶片参数确定了机器人整体尺寸,采用SolidWorks软件建立了机器人整体模型,设计了腿部吸附结构。通过静力分析,建立了机器人吸盘吸附的数学模型,以保障机器人行走的安全稳定性。分析了机器人整体行走步态,设计了攀爬行走迈步过程并设计了其关节控制曲线,通过ADAMS软件仿真模拟了机器人在叶片表面的攀爬行走。最后,设计了机器人整体控制系统,并制作样机进行了机器人攀爬实验。仿真与实验结果表明,所设计的机器人结构可以稳定实现攀爬运动,吸盘吸附系统安全可靠,实验结果与仿真的行走步态一致,验证了以攀爬步态行走的可行性。     

可上下楼梯轮椅机器人的现状研究概述

按照地面移动机构的形式对可上下楼梯的轮椅机器人进行分类,可以将目前所出现的轮椅机器人分为轮式、腿式、履带式以及复合形式的轮椅机器人。分析了各种形式轮椅机器人上下楼梯时的越障性能和特点,通过对比得到各类型轮椅机器人的优缺点,最后给出了设计轮椅机器人时需要考虑的要素和设计方向。     

面向助力机器人设计的人体负重楼梯行走下肢运动研究

利用Motion Analysis公司开发的步态分析系统对12名测试对象分别进行不同负重(0kg,10kg,20kg,30kg)的上楼梯行走实验,检测出上楼梯过程中,下肢关键点的三维坐标值及脚底与地面间的反作用力及力矩,通过建立人体下肢动力学模型,获得行走过程中下肢各关节的运动学及动力学行走数据,并分析出随着负重的增加,下肢各关节的运动变化特征。揭示了人体不同负重上楼梯过程中下肢各关节的运动机理,获得的运动学及动力学数据为下肢助力机器人的设计提供了重要的理论依据。     

基于联合运动规划的可变形履带机器人在线翻越楼梯控制方法

楼梯是室内环境中最典型的障碍物之一,其对执行废墟搜救任务的机器人的机动性能提出较高要求。针对机器人翻越楼梯过程中的攀爬能力和稳定性问题,提出一种基于实时状态预测的在线翻越楼梯控制方法,该方法不仅适用于常规机器人,同样适用于异构模块化可变形履带机器人。在对机器人翻越过程中的步态进行联合运动规划基础之上,利用传感器完成楼梯参数辨识,同时对机器人翻越楼梯的基本过程进行阶段划分,并进行运动学和准静态力学分析,针对翻越楼梯过程的各阶段建立模块联合运动协调准则、防止倾翻准则和防止干涉准则,实现机器人翻越楼梯运动的实时在线预测控制。基于可变形履带机器人Amoeba-II平台的翻越楼梯试验验证基于联合运动规划的在线翻越楼梯控制方法的有效性。