基于ADAMS变胞机器人构态变换研究

变胞机构广泛应用于制造业和机器人业。根据变胞机构的运动原理,针对具有三个构态的变胞机器人进行构态变换研究。在UG中建立三维模型,利用ADAMS软件对这三个构态进行构态变换仿真,得到了构态一向构态二和向构态三变换时Y方向位移、速度、加速度、动能曲线。构态一向构态二变换时有柔性冲击,需要控制其变换以减少柔性冲击;构态一向构态三变换时比较平稳。

变胞机器人

文中利用变胞机构的变结构特点开发出了一款变胞机器人,大大提高了爬行机器人的行走稳定裕度、避障能力、攀爬能力、拐弯能力即对复杂环境的适应能力等。具有良好的社会效益与经济效益。

变胞机器人重构及转向时足着地柔顺性控制

变胞机器人能够根据外界环境变化在轮式行驶和足式行走两种运动模式间自然切换,因此兼具在平整结构路面上快速行驶和在崎岖山地越障行走的能力。基于广义坐标法建立了变胞机器人转向重构过程的运动学模型,考虑到重构过程中摆动腿与环境接触时存在较大冲击,提出了利用阻抗控制方法实现摆动腿着地柔顺控制。在传统阻抗控制的基础上,基于李雅普诺夫渐进稳定性定理设计了自适应阻抗控制器,并利用粒子群优化算法对阻抗控制参数进行了优化。通过在不同环境刚度下仿真分析,证实了经过参数优化后的自适应阻抗控制器能够很好地实现对期望接触力的跟随,提高了变胞机器人对未知多变环境的适应性。最后针对变胞机器人转向重构过程中足着地进行了路面实验,进一步证实了优化后的自适应阻抗控制方法的优越性。

变胞机器人腿部结构轻量化设计

变胞机器人作为一种新型地面移动系统,能够通过重构变形在轮式行驶与腿足式行走间自然切换,与传统车辆相比,变胞机器人具有在结构路面上快速行驶及非结构路面上高通过性的优点。文章使用ADAMS建立变胞机器人多体动力学模型,通过仿真获得变胞机器人重构过程中腿部各连接部件的载荷谱;在变胞机器人腿部机构的设计基础上,以壁厚为优化变量,以质量和应力最小为优化目标,采用最优拉丁超立方试验设计配合四阶响应面法近似模型,并基于NSGA-Ⅱ算法对其进行多目标优化;在获得Pareto前沿后,运用提出的权重选择法确定一个最优解,根据最优解对腿部机构进行优化设计,并对优化设计后的腿部各构件进行强度仿真分析,且与优化前数据进行对比;最后采用应力测试试验对优化后的腿部机构与优化后的仿真结果进行比较。仿真和试验结果验证了该有限元模型的准确性及优化设计的有效性。

变胞工程机器人设计及其稳定性探究

为使变胞工程机器人能够应对更复杂的地形,研究通过轮腿式和滑槽式魔方机构增大机器内部空间,实现躯干各层转动和子块位置互换的功能,从而设计了一种新型的变胞工程机器人。结果表明:变胞工程机器人改进后的滑槽式结构加工难度降低,子块不易脱离。该机器人构型的前后转动层由电机驱动,在越障时左右转动层可以自适应旋转。当其最小稳定角为25.69°、重心高度为56.45 mm时,运动的稳定性最好,不易发生倾翻。此外,机器人采用的三足步态可以保持快速移动,并具有较小的位移偏移量。新型的变胞工程机器人具有较高的稳定性,在地域探险中具有较高的应用价值。

变胞式输电线路树障清除机器人智能遥控关键技术研究

探索变胞式输电线路树障清除机器人智能遥控关键技术,重点研究自适应轮毂机架技术,包括设计原理与结构优化、气动式实现方案和夹紧机构的设计与优化方法,探讨转向控制算法及树枝修剪技术,包括转向控制算法的设计与优化、基于视觉感知的树枝识别和修剪技术以及快拆式安装架的设计与优化,最后研究导线与修剪树干距离测量及避障技术,包括基于RTK定位的测量原理与算法、电场感应和激光雷达在避障中的应用,以及实时显示与监控系统的设计与开发.通过研究,提出了一套智能遥控变胞式输电线路树障清除机器人的关键技术实现方案.

变胞手爪攀爬机器人多姿态力学分析

为了同时满足在实际生产中对攀爬机器人越障能力和负载能力的高要求,设计了一种带变胞手爪的仿生攀爬机器人。变胞手爪在夹持过程中,手指在接触到管道之后进行限位,通过机构变胞,使各手指在一定角度内依次转动,能稳定抓取不同类型的管道。利用虚功原理建立了变胞手爪在夹紧管道时各手指与管道之间接触力和驱动力的静力学模型。根据理论计算结果,在ADAMS中对攀爬机器人在多种姿态下的攀爬运动特性进行了仿真分析,实现了攀爬机器人在不同管道上的攀爬。仿真结果表明,攀爬机器人在多姿态下具有可靠夹持能力和稳定运动能力,验证了攀爬机器人的结构设计和变胞手爪力学模型的正确性。

基于综合性能指标的串联变胞机器人冲击性能优化

研究串联变胞机器人的构态切换平稳性问题具有重要理论意义和实用价值。基于Newton-Euler方程建立串联变胞机器人的冲击动力学模型,并结合经典碰撞理论和恢复系数方程,推导出机器人构态切换时的冲量求解模型。在此基础上,针对机器人的构态切换平稳性问题,从构态切换前的速度性能、构态切换时的冲击性能和构态切换时的动力学性能3个方面对机器人的冲击运动性能进行分析,并建立了相应的性能指标。通过分析影响性能指标的机器人参数,对上述冲击运动性能指标进行分类,并基于权重系数法,构建面向综合评价指标的参数优化设计模型。以平面3自由度变胞机器人为例,仿真分析机器人参数对冲击运动性能的影响,并对其进行优化设计。研究结果表明:通过改变杆件长度和初始构型可有效减小机器人构态切换时所产生的冲量,改善了机器人的冲击运动性能,有利于提升系统运行的稳定性和安全性。

基于变胞原理的机器人的设计

变胞机构作为一类新的机构,自提出以来广泛应用于制造业和机器人业。根据变胞机构的运动原理,提出一具有半卧式、卧式和站式的三构态变胞机器人。该机器人能根据环境变化自动变换构态以适应不同环境的要求,从而实现不同的功能要求。变胞机器人可以在核生化污染事故现场、战场、地震或其它自然灾害救援现场等代替人从事侦察、救援等危险工作。利用UG软件建立了该机器人的三维模型,并导入到ADAMS软件中进行了运动仿真,很好的实现了机器人各构态之间的变换。

四足变胞爬行机器人步态规划与运动特性

为解决绝大多数足式机器人的腰部是固定不可变的问题,研究一种腰部可变的四足爬行机器人,并分析腰部和腿部的形态,从数学上给出腰部构态变换的条件。另外,考虑腰部可变设计出扭腰直行步态和扭腰原地旋转步态,并将其与传统步态进行比较,分析不同步态在稳定裕度、活动空间和通过狭窄弯道等方面不同的优势。最后,研究腰部变胞使机器人在足尖活动空间、视觉观察等方面具有的特征,显示所设计的机器人对环境的适应能力。研究结果表明:可基于变胞机构设计爬行机器人腰部使其构态可变,腰部构态可变可以提高四足机器人的灵活性和环境适应能力。

可控变胞码垛机器人控制系统设计及实验

为了提高变胞式工业机器人在实际工业生产中的效率以及稳定性,基于可控变胞码垛机器人设计了一种新型的码垛路径运行方式,对其进行运动学仿真并设计了相应的控制系统。其中控制系统采用“运动控制卡+工控机”的上下位机控制模式,使用闭环步进电机及驱动器组成机器人的运动系统,使用光电开关、气动插销及电磁离合器等硬件组成变胞动作执行系统,引入电机脉冲补偿值以减少变胞前后的运动误差。提出新型码垛路径的实现方法,并搭建机器人控制系统,以6 kg负载进行实验,测试结果显示理论位移与实测位移之间的误差不超过0.6 mm。研究表明该控制系统运行安全可靠,能够满足可控变胞码垛机器人的控制要求,同时也为变胞式工业机器人的控制系统设计提供了参考。

变胞汽车焊接机器人动态焊接工艺参数的设计与优化研究

变胞机构是基于机构运动过程中构件数目的变化和自由度的变化为特征的机构。一种汽车变胞焊接机器人,其通过三个支撑液压杆的组合动作实现动平衡板的摆动,同时通过电机控制的转盘结构实现立柱的周向旋转运动,另外通过调节液压杆实现连杆运动,可以实现多角度运动,本设计中通过平衡块实现变胞功能,使得机构自由度发生变化,从而改变机构杆件数量,使得整个装置动作变化更多,可以适应更大范围的工作空间。使用了关联矩阵及其逻辑运算对变胞过程进行描述和建立变胞焊接机器人动态焊接参数运动学模型,为后面进行运动学仿真和动力学仿真奠定基础。

汽车变胞焊接机器人结构设计与控制器实现

变胞机构是基于机构运动过程中构件数目的变化和自由度的变化为特征的机构。本例以胞焊接机器人使用变胞源型综合模型和李群李代数旋量理论进行案例分析,并通过模型进行控制器结构设计与实现。

一种新型四足变胞爬行机器人的步态规划研究

随着移动机器人在探测救援中的应用逐渐增多,活动灵巧、环境适应能力强的多足机器人越来越受到国内外学者的关注。介绍一种腰部可以活动的四足机器人的设计及其步态生成,并展示了活动腰部可提升机器人对极端环境的适应性。提出三个基本假设以简化机构模型,提出腰部构态变换规则,并用几何方法说明了腰部构型变化可扩大机器人腿部活动空间,从而提升对复杂环境的适应性。另外,腰部运动与步态融合,生成了两种新的基本步态——扭腰直行步态和原地旋转步态。基于提出的两种步态,对比了固定腰部与可动腰部条件下运动稳定裕度的变化,分别计算了狭窄弯道通过条件,并分析了所设计步态对头部视觉的影响,从而证明所设计机器人具有较高的极端环境适应能力。

变胞汽车焊接机器人拓扑分析与动态焊接参数建模

变胞机构是基于机构运动过程中构件数目的变化和自由度的变化为特征的机构。本文研究的变胞汽车焊接机器人,为克服现有技术不足,提出变胞汽车焊接机器人;并使用了关联矩阵及其逻辑运算对变胞过程进行描述和建立变胞焊接机器人动态焊接参数运动学模型,为后面进行运动学仿真和动力学仿真奠定基础。

几何约束驱动的可重构位移子群建模理论

提出基于位移子群的构态重构理论模型,由此探讨约束驱动的空间变胞运动链连续衍生设计策略。通过结合机构构态含拓扑与功能两方面变化特性分析,定义变胞机构中可重构特性的内涵,并将其封装进变胞结构单元,即变胞单元,依据此构建空间运动链构态特性的约束模型,分别构建构态约束矩阵与构态约束特征图,分析约束驱动生成运动链群的构型思想。具体是通过分析子群元素组合对应的构态变化,讨论约束作用性质与子群组合规律,确定几何约束引导单元的交、并运算规则,得出子群约束模型理论,驱动构态方案变化时对应的约束规则与方案衍生过程。深入研究构态约束图对空间变胞链中的拓扑与功能特征尤其含自由度特征的作用机制及约束操作规则、子群运动子集的组合规律,使得变胞运动链的设计转化为子群构态约束特征中元素的改变问题,由此构建变胞机构的多构态结构模型向约束驱动几何模型映射的建模方法,为变胞运动链群的构型方案自动生成与设计提供理论支持。