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。

可变形履带式机器人行走机构设计及运动仿真

针对移动机器人在非结构化地形环境中负载能力低、运动稳定性较差的问题,设计了一种可变形履带式机器人行走机构。该机器人采用4节履带构型,有效地增加了与地面的接触面积,从而提高了其运动稳定性。将椭圆形成原理应用于履带张紧机构的设计当中,采用双椭圆摆臂回转机构,设计可变形履带机器人模型。为了描绘机器人的越障性能,从运动学的角度分析了机器人在爬越台阶和跨越沟壑2种典型障碍的运动过程,并得出相应的越障极限参数。利用Adams建立仿真模型,对机器人的虚拟样机进行了动力学分析。仿真分析表明机器人能够翻越200 mm高的台阶和300mm宽的障碍,并得出驱动机器人运动的力矩曲线图。本研究为后续改进及优化研究提供了参考。

履带拖拉机越埂变形装置的设计

针对履带式拖拉机在越埂时因存在过大倾角而产生的安全问题,设计了一种履带拖拉机变形装置。文章介绍其整体结构与工作原理,并对变形架机构与履带张紧机构进行详细说明。装备该变形装置的履带拖拉机在通过田埂时可降低最大倾角和悬空高度,进而行驶更加稳定、安全。

基于目标规划的履带可变形机器人结构参数设计及验证

机器人结构参数直接影响其对环境的适应能力,因此合理的结构参数设计至关重要。为更高效设计能适应障碍已知环境的机器人,该研究提出一种基于目标规划的机器人结构参数设计方法,以得到能适应该环境的结构参数最优的机器人,并开发样机进行试验验证。首先提出并设计履带可变形机器人模型,在分析机器人越障机理基础上,建立机器人能够跨越的台阶和沟壑障碍与其结构参数间的关系,并在此基础上建立履带可变形机器人的结构参数目标规划模型。利用遗传算法得到该目标规划问题的最优结构参数:履带轮半径60 mm,摆臂最大长度326 mm,机体长度290 mm,并利用Adams建立仿真模型验证了机器人对目标环境的适应性。样机试验表明机器人能够跨越160 mm高台阶和300 mm宽沟壑,证明了计算得到的结构参数的合理性,及基于目标规划的机器人结构参数设计方法的可行性。该研究可为机器人的结构参数设计提供参考。

双摆臂履带可变形机器人的稳定性研究

针对履带不可变形机器人越障性能差的问题,对双摆臂履带可变形机器人的最佳越障性能以及机器人在越障过程中的稳定状态进行了研究。选取了两种具有代表性的障碍物类型,建立了其数学模型,将机器人的质心分布与转动惯量分布作为考虑因素,研究了机器人爬越坡道的倾覆稳定性、滑移稳定性与攀爬台阶的静态稳定性、分步动态稳定性,通过数值分析验证了计算结果的有效性与准确性,得到了机器人处于稳定状态的充分必要条件,进而得到了机器人翻越障碍的临界条件与能够翻越的最大数值。研究结果表明:双摆臂履带可变形机器人具有良好的地形适应能力与越障能力,任务完成度和执行效率高,越障过程机器人状态稳定。

双摆臂履带可变形机器人结构设计与越障性能研究

为发挥履带可变形机器人最佳越障性能,保证机器人在变形过程中履带长度不变且持续张紧,将椭圆定理和椭圆规原理应用于机器人构型设计,研制了一种新式履带可变形机器人。通过引入后摆臂,丰富了机器人构型变化,机器人重心在前后摆臂转动过程中有较大程度的调节,提高机器人的越障性能。建立坡道、台阶和沟壑等典型障碍的数学模型,对机器人翻越障碍进行步态规划和运动机理分析;建立机器人越障的运动学和动力学模型,分析机器人越障的临界条件和最大数值,利用Adams对越障进行仿真实验,结果验证了理论计算值的准确性和机器人的越障性能。

具有自适应能力轮—履复合变形移动机器人的开发

针对非结构环境中路面软硬相间、平坦与崎岖并存的地形特征,结合轮式、履带式移动机构的运动优点,提出并研制一种对非结构环境具有自适应能力的轮—履复合变形移动机器人(NEZA-I)。NEZA-I由控制箱体单元和两个相同的可变形轮—履复合(Transformable wheel-track,TWT)移动模块组成。每个TWT模块在一个驱动力作用下能以轮式和履带式两种运动模式在复杂路面上运动,也能根据地面约束力变化而改变运动模式(即轮—履互换)和调整运动姿态(即改变履带几何形状)。对移动机构平台的设计方法不仅可提高驱动电动机的使用效率,也可简化对机器人的控制。试验表明,NEZA-I可通过调整自身机构以合理的运动模式及姿态通过复杂路面环境,具有较好的环境自适应性和越障性能,验证了该移动机构系统设计的合理性。

基于液压驱动的轮履复合式变形轮设计

针对移动底盘日益复杂多变的非结构性工作环境,提出一种液压驱动变形的轮履复合式变形轮设计方案。首先介绍变形轮总体结构,并阐述其工作原理;然后对其主要组成机构腹板伸缩机构、液压驱动机构、可变形履带的设计进行分析,重点分析关键部件可变形履带的结构及参数设计;最后对变形轮进行数字建模、变形仿真和加工制作。仿真和产品试验结果表明,变形轮可以实现轮式和履带式的自由切换。

履带式越障救援机器人的研究及发展综述

针对地震、火灾等灾后现场,分析国内外灾后救援机器人的研究现况,分析各类型救援越障机器人的优缺点,比较得出履带式机器人在复杂的环境中能较好地发挥机动性能,越过各种复杂地形,达到救援的目的。针对履带式机器人的体积大质量大的问题,提出对履带结构进行增加鳍状履带的方法,对可变形的履带进行研究,改善履带式机器人的弊端,提高其可行性和稳定性。

基于椭圆形成原理的可变形机器人结构研究

针对可变形机器人在非结构化地形环境中作业能力低、环境适应性差等问题,设计了一种可变形履带式机器人行走机构。在机器人履带张紧机构的设计中应用了椭圆形成原理;机器人模型中采用了双椭圆摆臂回转机构;为了增大与地面的接触面积,提高复杂环境下作业能力及稳定性,该可变形移动机器人采用4节履带构型。该移动机器人兼具有腿式移动机构和履带式移动机构的特性,能在恶劣环境中进行物品运输、搬运负载和执行特种任务等作业。应用结果表明该行走机构不仅具有安全可靠、环境适应性强等特点,且具备一定的越障性能和机动性能。该行走机构能提高运输效率,节约人力和财力。

履带可变形机器人越障性能研究

将椭圆定理应用于履带机器人构型设计,研制了履带连续张紧且履带长度保持不变的履带可变形机器人.该机器人重心位置可以通过摆臂转动进行较大幅度的调节,具有较好的越障性能.为充分了解机器人的越障能力,对机器人跨越台阶和沟壑两种典型障碍的运动过程进行了分析.在机器人跨越障碍运动机理的基础上,对越障过程中的关键状态进行了运动学和动力学分析,根据实际情况,选择几何条件、打滑以及稳定性作为约束条件,得到了机器人能跨越的最大障碍的理论值.最后,建立机器人仿真平台,根据理论计算得到的障碍值,对攀爬台阶和跨越沟壑进行仿真实验,并进一步进行了样机实验,验证了机器人的越障能力.

轮-履复合被动自适应机器人设计与参数分析

针对地形狭窄、障碍物较高的非结构环境,提出了一种可正反向越障的轮-履复合被动自适应机器人。该机器人由车体模块、尾轮模块和两个左、右对称布置的轮-履复合模块组成。简述该机器人的整体结构和模式转换原理,并详细介绍了其动力传递过程和运动过程。通过建立机器人轮-履复合模块数学模型,分析各构件的运动关系,对轮-履模块的模式转换过程及受力情况进行研究,并研究了轮-履复合模块结构变形过程中履带长度的变化情况。分析结果验证了参数设计的合理性和方案的可行性。

具有自适应能力的轮-履复合变形移动机器人的移动机构与地面约束关系分析

针对非结构环境中路面软硬相间、平坦与崎岖并存的地形特征,提出并研制出一种对非结构环境具有自适应能力的轮-履复合变形移动机器人(NEZA-I).NEZA-I由控制系统单元、尾轮单元和两个相同的可变形轮-履复合(Transformable wheel-track,TWT)移动模块组成.每个TWT模块能够在一个驱动力的作用下以轮式和履带式两种运动模式在复杂路面上运动,也能根据地面约束力而改变运动模式(即"轮式-履带式互换")和调整运动姿态(即"改变履带几何形状").本文旨在介绍NEZA-I机器人的基本结构、驱动系统原理、运动模式及姿态,分析TWT模块内部构件之间运动关系,建立NEZA-I在一些典型的运动情形下移动机构与地面之间的约束关系的数学模型,探究TWT模块内部机构参数对机器人环境自适应性能的影响,优化机构参数.实验表明:NEZA-I移动机构平台具有较强的环境自适应性和越障性能,机构参数的优化结果是合理的,所建立的相关数学模型及参数的分析方法是正确的.同时也验证了NEZA-I自适应移动机构平台概念的可行性,从机构学的角度为机器人环境自适应性的研究提供一个思路.