张拉整体机器人构型与运动控制研究现状及进展

研究发现张拉整体结构存在于细胞骨架、肌肉-骨骼系统等生物体,并将其原理广泛应用于建筑、雕塑、空间探测等工程结构中。张拉整体结构具有形态可调性、受力可控性、绳索抗拉性和结构轻质、结构自稳定等优势,因此在机器人领域极具应用前景。而软体机器人作为一种新型、仿生、能与人安全交互的机器人,近年来成为力学、材料学、医学、生物学等多学科交叉领域的研究热点之一。但是,要想实现灵活准确的运动、高效地承受外载、迅速地适应环境等复杂特性和功能,张拉整体机器人在其构型、运动步态及控制研究等方面依旧面临着巨大挑战。本研究选取张拉整体机器人的三大典型类别(棱柱形张拉整体机器人、球形张拉整体机器人及构型较复杂的张拉整体机器人),对其构型、运动步态及控制的国内外相关研究现状和发展趋势进行综述,旨在为机器人的仿生学研究提供科学依据。

张拉整体机器人构型设计及非线性力学特性分析

六杆张拉整体结构通过索-杆间内力实现平衡,具有大位移强非线性的特点,在机器人的行星探索领域具有较大的应用潜力。为得到该结构的非线性力学性能,通过节点矩阵、连接矩阵、矢量矩阵建立结构数学分析模型。在此基础上,考虑几何非线性,通过ANSYS软件建立力学分析模型,分析不同载荷及结构参数对张拉整体力学性能的影响。计算各参数的变形量敏感度,得出改善张拉整体结构力学性能的有效措施,最后研制了六杆张拉整体机器人样机进行翻滚实验,该结果为后续结构优化、运动学控制提供一定的理论支持。

4杆张拉整体机器人单步驱动方式分析

基于4杆张拉整体结构,一种4杆张拉整体机器人被提出。此机器人是通过变形来实现整体翻滚和移动。首先分析4杆张拉整体结构的结构特点,提出了将其转化为张拉整体机器人的方法,并对其运动方式进行了初步分析。而后利用仿真分析,研究了其单步驱动方式。最后,根据三种单步驱动方式的组合,探讨了机器人向预定目标运动的方法。

张拉整体机器人建模及静态坡面研究

张拉整体机器人具有高的强度质量比、良好的减振性以及可变形能力,可以适应多种地形,且具有多种运动步态。为了实现机器人可以在多地形上运动,本文针对张拉机器人静态坡面展开研究,利用Matlab图形用户界面(GUI)制作了张拉整体机器人人机界面对处于不同状态的机器人的临界翻滚坡度进行了求解。针对机器人动力学建模较为困难,采用open dynamic engine(ODE)仿真平台进行建模。最后搭建实验平台进行实验,并将仿真结果与物理实验结果进行了对比,验证了仿真结果的正确性。同时,这也验证了动力学模型的正确性。

张拉整体机器人关键技术研究进展

回顾了张拉整体机器人的特点,总结了现阶段张拉整体机器人典型样机的研制进展,从地面移动、空间探测和仿生领域3方面概述了张拉整体机器人的应用情况。从初始构型设计、初始预应力分析及稳定性判断、外荷载作用下型态分析、动力学特性及控制方法等方面,阐述了张拉整体机器人的关键技术;探讨了未来张拉整体机器人有待于进一步深入研究的技术难题。