自由落猫机器人的最优下落轨迹研究

机器人在未知复杂环境下作业时,有从高处跌落的风险,所以需考虑空中姿态调整能力,减轻由错误的着陆方式造成的伤害。针对机器人空中不能借助外力翻转的难点,仿照猫从空中跌落可安全着陆特性,研究仿落猫机器人空中姿态调整的最优下落轨迹问题。首先利用可以扭转的轴对称双刚体模型导出机器人的数学方程,因为角速度不可积,将落猫机器人的姿态控制问题转变成非完整系统的运动规划问题。由于系统具有高度非线性和强耦合,且传统方法需要提供目标函数不一定有的梯度信息,所以采用粒子群优化算法寻找以系统关节耗能为指标的目标函数最优解。最后实施数值仿真,结果显示改进算法对于落猫机器人轨迹规划是有效的。

基于嵌套结构的无级变速器设计与分析

目前,机器人关节减速机均为定比传动方式,造成关节电机难以达到峰值效率。基于嵌套结构,提出了一种机器人用紧凑型的无级变速器,通过实时改变传动比,可有效提高电机功率使用效率。首先,开展了变速传动机理研究,得到了传动比相对于行星轮与太阳轮半径之比的关系;设计了嵌套结构以及行星轮、太阳轮板轴向移动系统。其次,推导了行星轮、太阳轮包角、传动比以及金属带径向移动数学模型,基于多刚体动力学仿真软件对变速器的输出速度进行了仿真验证;结果表明,变速器正、反向偏差分别为1.89%、3.87%。最后,制作出变速器的原理样机并搭建转矩实验平台,设定输出转矩为特定值,测试了对应输入转矩;实验显示,测试数值与理论数值相比基本相同,平均传动效率为72.1%,间接验证了理论推导的正确性。

自由落猫机器人时间最优下落轨迹研究

机器人在未知复杂环境下作业时,有从高处跌落的风险,所以需要考虑其空中的姿态调整能力,减轻由错误的着陆方式造成的伤害.当猫从高空坠落时,它总能通过自身调整安全落地.受这一生物学现象启发,通过研究猫能够安全落地的第一阶段,姿态调整阶段,首次提出以时间最优方式研究落猫机器人最优下落轨迹问题.首先利用轴对称双刚体模型导出机器人的数学模型,因为角速度不可积,将落猫机器人的姿态控制问题转变成非完整系统的运动规划问题.考虑到姿态调整所消耗的时间是决定调整结果较为重要的因素,随后以虚拟力矩输入取代真实角速度输入,建立时间优化函数,并构造了求解该函数的方法.然后以姿态调整耗时最短为控制目标,通过粒子群优化算法寻找目标最优解.最后运用所得最优解数据,在虚拟物理环境下进行了虚拟样机实验,并实现了落猫机器人的空中翻正动作.结果表明,该方法能有效地缩短自由下落机器人的姿态调整时间.