移动机器人未知环境下辐射场分布地图构建算法

针对未知复杂环境中辐射场分布地图构建以及放射源搜寻定位等问题,利用移动机器人搭载核辐射探测器、激光雷达等进行辐射数据采集以及区域栅格地图构建;采集的离散辐射数据通过高斯过程回归方法(GPR)构建出环境辐射分布图,并将辐射分布图融合区域栅格地图,实现未知复杂环境中的辐射分布可视化及未知放射源定位。该方法能够处理小样本、非线性以及高维度等复杂问题,可快速构建环境辐射分布图。此外,在放射源存在的真实场景下开展了实验验证,实验结果表明,在无障碍物环境与复杂障碍物环境下移动机器人均能完成辐射场分布地图构建并估计出放射源所在位置,定位精度高于0.5m,可应用于搜寻丢失的放射源以及辐射安全监测。

核环境下探测机器人机械臂的结构分析与优化

为了提高核环境下探测机器人机械臂的负载能力,通过动力学分析机械臂关节特性确定优化目标,用有限元软件ANSYS对机械臂臂体危险工况分析并设计优化参数,采用Workbench目标驱动优化分析设计优化实验,对优化结果分析并选取合适的优化参数。优化设计使机械臂两个臂体质量分别减小28.3%和29.5%,分析表明优化设计对机械臂危险工况下静力特性影响很小,符合强度和刚度要求,依据优化方案制作出机械臂样机并测试机械臂负载性能,实验表明机械臂末端负载提高10%,优化后机械臂关节力矩得到改善。

不确定环境下多机器人编队控制研究

针对多机器人在不确定环境下难以保持某种队形到达预定目标等问题,提出了一种无须全局坐标的多机器人编队控制算法。该算法通过Reynolds类鸟群模拟方法设计了“分离”“对齐”“队形”三规则的控制器来实现多机器人任意队形保持控制,并增加切换规则来实现多机器人队形变换。在不同场景及复杂环境下进行仿真实验,验证了提出方法的优越性。该算法能够使多机器人在不确定环境下保持队形到达目标,对于救援、救灾下多机器人的运用具有重要意义。

基于核环境下应急机器人机械臂结构分析与优化设计

为了探究应急机器人在核环境下安装不同工具头作业时机械臂的强度和可靠性,分析设计的合理性,为改进结构、提高性能稳定性及延长寿命提供依据,建立了应急机器人的有限元模型,并选取破碎锤和挖斗两种典型末端工具作业时的两种不利工况,通过ANSYS有限元软件进行静力学仿真分析。结果表明:应力集中主要发生在工具头施力处及油缸与臂铰接处,是可能产生破坏的主要原因。针对动臂进行结构优化设计,使其重量由41.7 kg优化为30.1 kg,减重28.06%;并根据优化结果加工出试验样机,将理论分析用于生产实践上,验证了优化结果的可行性。

基于正交实验的履带机器人张紧力优化

在被动自适应履带机器人中,履带的张紧力是履带机器人稳定运行的重要参数之一。针对履带设计过程中多个设计参数对履带张紧力的影响,建立了履带负重轮、主动轮和诱导轮处张紧力数学模型,得到了多参数与张紧力之间的理论计算公式;通过在Recurdyn中建立履带模型得到的张紧力与理论公式相对比,验证了公式的可行性;采用正交实验法研究了公式中多参数对张紧力影响的显著性,得到了优化履带张紧力相对较优的结构参数。

机器人末端执行器姿态轨迹规划研究

研究了以四元数样条曲线作为插补曲线对机器人末端执行器姿态进行插补的相关算法,并进行了姿态轨迹规划。机器人末端姿态的表示方法一般有欧拉角、旋转矩阵等,但存在万向锁、插值困难等问题。引入四元数样条曲线,同时通过增加示教点,使四元数样条曲线适用于对机器人末端执行器姿态进行插补,并研究了基于S型的姿态轨迹规划算法,最后进行了多姿态示教点仿真实验。实验结果表明,所提出的算法规划出来的轨迹平滑,满足机器人末端姿态轨迹规划的要求。

履带机器人越障能力优化

为提高大负载双履带式机器人越障性能,研究了一种搭载重型机械臂的双履带式底盘结构侦查机器人。拥有机械臂的双履带式底盘结构机器人为提高越障能力,可以通过利用改变机械臂姿态来优化越障性能。通过理论计算和仿真分析,得出了不同姿态履带机器人越障过程中所需转矩,及越障后地面对负重轮的冲击力,得出了履带机器人最优的越障姿态。本研究对其他双履带式底盘结构机器人提高越障性能和优化越障效果提供了重要的依据。

关于机器人运动优化控制建模的仿真研究

在机器人运动性能优化控制中,由于机器人多关节结构的复杂性与运动学的高难度,导致高度仿真的机器人运动控制难以实现的问题。为避免仿真的失真,提出了一种采用D-H参数模型的机器人实时运动控制仿真方法,根据机器人各连杆部件的尺寸与位置参数,绘制3D部件,再进行D-H参数模型整合,以机器人运动学算法对模型加以控制,实验结合Matlab和Soildworks软件作为平台,对经典机器人puma560进行仿真,实现了各个连杆部件的实时控制,实现了末端工具轨迹的运动平滑规划并对运动过程录像,结果表明,提出的方法能为实现机器人运动控制性能优化设计提供科学参考。

Bezier曲线与A~*算法融合的移动机器人路径规划

移动机器人路径规划一直是移动机器人领域里的重要技术问题。A*算法在最优路径搜索上有着比较成功的运用,但在栅格环境下的A*算法也存在着折线多、转折角度大等问题。在考虑移动机器人的实际工作环境及相关运动参数后,这些问题都将大大地影响移动机器人的工作效率。在对以上问题进行分析后提出了一种基于Bezier曲线与A*算法融合的方法来实现移动机器人的路径规划,再通过MATLAB、V-REP仿真工具来实现Bezier_A*融合算法与平滑A*算法及A*算法的对比。通过Bezier_A*融合算法使得机器人在工作中的寻优能力、路径规划效率都得到较大的提高。

履带机器人机械臂姿态优化

研究一类危险环境下搭载重型检测仪器及其保护壳等工作设备的履带式底盘结构侦查机器人的机械臂支撑性能。由于负载较重,地面随机激励、越障冲击振动可能给机械臂关节造成一定的损伤甚至失效,所以,需要对此类重型机械臂进行运动姿态仿真研究。针对路面随机激励对履带机器人搭载的机械臂的影响进行了理论分析,并用Recurdy软件建立了履带机器人模型。通过理论计算、仿真和实验,推导出了机器人搭载的机械臂运动时的最佳的姿态。本研究对履带式机器人研究设计和优化提供了重要的依据。

剥离去污机器人作业方式研究与仿真分析

在核设施退役工程中,由于作业环境比较恶劣,机械剥离去污作业只能由技术人员通过遥操作机器人完成,作业过程对人依赖程度大、效率低、可靠性不高。针对这一问题提出机器人采用遥操作和自主作业相结合的剥离去污作业方式,实现其局部自主作业能力,降低对操作人员的依赖程度、提高作业效率和作业质量。通过对剥离去污机器人机械剥离作业的仿真分析,验证了采用遥操作和自主作业相结合的混合作业方式的可行性和有效性。首先,分析了Brokk50机械臂本体结构和运动学特性,对其抽象简化构建机器人模型D-H坐标系;然后,以MATLAB为仿真工具建立了机械臂的仿真模型,在不计算机械臂运动学正解的情况下快速仿真得到机器人的作业空间;最后,对机器人剥离去污作业进行了轨迹规划仿真分析,采用关节空间和直角坐标空间相结合的轨迹规划方法,满足了机械剥离去污作业对作业精度的要求,并提高了作业效率。

外力干扰下的机器人目标可达性分析

针对外力干扰对机器人运动性能、运动轨迹和目标点精度的影响,导致机器人在匀速、匀加速与变加速情况下产生的目标可达性等问题,提出了一种全局路径规划的目标可达性分析方法。该方法将机器人实时位置视为原点,通过正交分解作用力,以人工势场法调节机器人的运动。在Matlab计算环境中,将理论推导与数值仿真相结合,实时分析机器人是否可到达目标点并给出预判结果。仿真结果表明,该分析法具有较好的实用性。

多关节机器人工作空间仿真方法

多关节机器人的工作空间是反映机器人运动能力的一个重要指标。提出了一种简化的多关节机器人工作空间仿真方法,可以不用求解正运动学方程,只要根据简单的机器人关节变换参数就可以通过仿真迅速得到其运动空间。以Brokk50机器人为例,首先建立其D-H变换坐标图并确定变换参数,然后以Matlab为仿真工具建立仿真模型并验证参数正确性,最后运用提出的新方法快速求出其运动空间。从而能够为多关节机器人的设计改进、遥操作和轨迹规划等工作提供参考。

基于无迹卡尔曼滤波的运动机器人定位研究

机器人运动控制中,由于传感器获取的位置信息存在误差,导致运动机器人存在定位误差的问题。为避免定位的失准,提出一种基于无迹卡尔曼滤波的定位方法。根据传感器获取机器人在地图中位置信息,与前一时刻机器人位置、姿态、控制量进行位置的预测、检验、更新,最终获取当前时刻机器人准确位置,实验在ROS机器人实时操作系统下进行,实现了室内行走机器人的准确定位。结果表明方法对于室内运动机器人定位有效。

分布式参数估计的多机器人放射源搜索策略

为在未知环境中快速、准确搜索失控放射物,将认知差异理论和一致性方法结合,提出了一种分布式参数估计的多机器人源项估计算法,以有效解决单机器人测量不准及运算量大等问题;将人工势场与信息熵结合,采用多机器人变步长分布式搜索策略以实现高效自主搜索。结果表明:本文算法与其他搜索策略相比具有更高的搜索成功率(92%)和更短的搜索时间。本文方法可用于核电站、化工厂等放射性及有毒有害物质泄漏的应急处置。

遥操作机器人末端工具换接装置的设计与研究

为了解决在维护、替换、拆卸核设施的过程中频繁更换机器人末端工具的不便以及多次更换末端工具的过程中对环境、人员造成的二次性污染的可能性等问题。设计了一种核环境下机器人多功能自动换接并拆卸不同规格螺母的工作装置,并对该装置的性能参数进行了分析,结合动力学仿真软件Adams对装置进行了动力学仿真分析,得出的仿真结果同理论计算进行了对比,验证了设计的可靠性和合理性;并根据分析结果加工出实验样机,将理论分析用于生产实践,验证了分析结果的可行性。

履带机器人越沟壑性能分析

为了提高危险环境下履带机器人跨越沟壑性能,对履带机器人跨越沟壑的关键过程进行运动学和动力学理论分析。根据越沟壑过程中需要满足的几何约束、履带不打滑和履带机器人不发生倾翻的约束条件,得到了履带机器人能跨越最大沟壑宽度的通用公式,并通过理论分析得出了履带机器人质心分布对跨越沟壑最大值的影响规律。最后通过Recurdyn建立仿真和样机实验,根据理论计算得到的临界值,对跨越沟壑过程进行仿真和实验,验证了履带机器人的越沟壑能力。

微型快换抛投式侦查机器人跌落碰撞分析

分析了一种车轮可以快换的抛投式侦查机器人从高处跌落的碰撞机理,探究了机器人在跌落时快换结构和整体受力情况和通过实验得出安全跌落高度。数值方法采用计算多体连续碰撞动力学模型中,求解冲击问题的能量方法。根据设计的这款抛投机器人参数应用ANSYS/LS-DYNA对机器人进行仿真实验,通过仿真实验得抛投机器人不同跌落高度,不同着地姿态下各个部件碰撞力的大小,对机器人整体以及危险部位进行强度分析。最后得出这款抛投机器人的快换结构方便、可靠;应该优化内容为车轮橡胶部分,车轴、车轴与轮毂接触处;最大允许跌落高度为大约5米。采用虚拟样机模型仿真实验的方法来优化机器人结构设计,可以减少了实物实验的失败风险,大大加快了设计速度。

六自由度机器人3D建模仿真研究

由于多关节机器人是一个结构复杂的运动学系统,高仿真的多关节3D机器人难以快速实现。为解决仿真时的视觉失真,设计并实现了一种以D-H模型为核心的机器人3D仿真方法。以KUKA_5arc六自由度机器人为研究对象,采用Auto CAD与Matlab建立贴近实际的机器人运动学仿真模型,验证了3D建模的精确性、正逆运动学定位算法的正确性以及路径规划等动作的合理性,为改进机械结构与控制算法提供了依据。该方法能实现六自由度机器人的3D建模仿真。

特种机器人的低电压大功率电机驱动系统设计

针对核辐射应急处理机器人驱动系统体积小、驱动能力强且操控灵活的需求,基于IR2184驱动并联MOS管H桥电路,设计了一种适用于特种机器人的低电压大功率电机驱动系统。系统针对驱动中的尖峰问题设计了RCD吸收回路,并针对MOS并联中的局部过流问题设计了均流保护电路。实验表明,驱动电压为24 V时,驱动电流最大可达100 A,最终实现了对特种机器人的可靠控制。