基于张拉整体结构的可变形移动机器人的设计与实验研究

移动机器人可以代替人进入火灾、地震现场等高危环境进行地形探索及伤员搜寻等工作,然而大多数机器人难以同时适应障碍、直角墙壁、墙面过渡等多种复杂地形,且其控制系统相对复杂,需要外部能源输入。为此,设计了一款具有多种功能、控制相对简单且无系留的可变形移动机器人。首先,将二杆四索张拉整体结构作为基本单元,设计了可实现弯曲变形的张拉整体结构躯干;其次,基于吸附力及结构参数的分析,设计了负压吸附装置,并将它与可变形躯干结合,形成了机器人整体结构;接着,对机器人进行运动学分析,获得了机器人位姿与电机转角的映射关系,并据此规划了机器人墙面过渡、从墙面穿越狭小空间及翻转上台阶的步态;最后,完成了机器人样机的研制,并针对不同地形开展了机器人运动实验,验证了机器人步态规划的合理性。研究结果为多功能移动机器人的设计与制造提供了一定的参考价值。

基于增强型51单片机的可变形机器人控制系统设计

随着自动化技术的不断发展,越来越多的机器人投入到大家的日常生活中。机器人的介入,大大提升了人们的生活质量和社会生产速度。但是,几乎所有机器人都只能服务于特定的领域。因此,开发一款能胜任多项工作的机器人显得极其重要,既可以大幅提升机器人的工作效率和环境适应能力,又可以极大程度的解决机器人因不能胜任某项工作而暂时闲置所造成的资源浪费。可变形机器人控制系统设计可广泛应用于日常生活。它是一种相对低成本,易于通过亚克力板和轻量化金属拼接生产的可变形机器人。它可以通过解体和重组达到变形的目的,并可以进行手动和自动控制。通过对其硬件的设计,确定需要使用的电源模块、单片机最小系统、传感器模块、驱动模块,为可变形机器人实现解体和重组对接的功能做铺垫。继而通过软件设计,确定可变形机器人控制流程、机器人驱动程序及电磁巡线算法程序。此外,在系统板上设置复位键,可实现控制模式切换。机器人既可凭借电磁传感器,通过程序和算法,可实现自动控制,也可依靠蓝牙模块,可实现手动控制。最后,加入机械手这一嵌套模块,并通过2.4 G遥控器实现实时手动控制。嵌套模块的使用,大大拓宽了可变形机器人的使用范围,增加了其工作能力。

四模块可变形机器人转向性能评价体系构建

四模块可变形机器人具备多种构型与多种转向方式,种类繁杂的构型与运动方式导致分析工作较为复杂。针对因结构与运动复杂产生的巨大的工作量的问题,进行四模块变形机器人转向性能评价指标的相关研究使得在进行构型选择与运动分析时更具有针对性。通过运动学与动力学相关知识,结合机器人结构特点与运动原理,对四模块可变形机器人进行动力学建模,并以此为依据建立完整的四模块可变形机器人转向数学模型。通过分析四模块可变形机器人转向数学模型,确定机器人在进行转向运动时的性能评价指标,进而建立完整的转向性能评价体系。通过理论与实验相对比,对转向数学模型中的各性能指标进行验证确认其实用性及有效性。

复杂曲面随形打印变形机器人逆解算法与控制研究

为了缩短机器人的研发周期,加快多类构型机器人面向复杂曲面零件的特种加工应用落地,将参数化设计思想融入到从设计到应用的整个周期,结合逆解算法、模块化设计、3D打印技术、逆向技术、数字仿真技术、机电一体化技术等设计出可变形机器人开发系统。输入机器人的几何参数,即可快速完成机器人模型设计、路径规划、可视化编程、动力学仿真、硬件组装及试验。该变形机器人方法可匹配大多数厂家机器人,快速对复杂零件激光加工、喷涂、喷丸、焊接、打磨等自由路径随形编程,易于再开发扩展应用。利用该系统开发变形机器人,完成曲面随形打印写字,验证系统的高效性和可行性。

可变形灾难救援机器人控制站系统的设计与实现

针对灾难救援应用领域具体需求,提出了控制站系统的设计原则.基于人机交互技术,设计了可变形灾难救援机器人控制站系统,该系统具有感知信息完整、操控灵活、界面友好、交互性强等特点.通过灾难救援模拟环境进行实验,验证了该控制站系统可以实现机器人在复杂环境中的运动控制、多通道信息交互等功能,在灾难救援等领域具有可行性及有效性.

基于多目标遗传算法的水陆两栖可变形机器人结构参数设计方法

水陆两栖可变形机器人是一种兼具变形能力与两栖环境适应能力的新型移动机器人。在其机构设计中,结构参数直接影响该机器人在任务环境中的各项机动性能。针对水陆两栖可变形机器人工作环境复杂性和任务多变性,提出一种基于多目标遗传算法的机器人结构参数设计方法,以得到该型机器人在两栖环境中的最优的综合性能。在水陆两栖可变形机器人陆地环境和水环境中运动学和动力学模型基础上,建立两栖环境中机器人的机动性能指标函数与结构参数的映射关系,并在此基础之上构建面向水陆两栖可变形机器人的结构参数设计的多目标优化问题。利用多目标遗传算法得到该多目标机构参数设计问题的Pareto最优解集,并且通过组合赋权方法确定各目标决策属性的权重,从Pareto最优解集中得到符合设计要求的水陆两栖可变形机器人的各项机构参数最优解,进而指导机器人最终结构参数设计。根据最终得到的结构参数研制出水陆两栖可变形机器人样机Amoeba-II,并在两栖环境下进行样机的各项性能试验,最终验证了基于多目标遗传算法的机器人结构参数设计方法的有效性以及在机器人设计中的适用性。

变形机器人倾翻稳定性仿真分析

凹凸不平的非结构环境中,移动机器人由于系统的倾翻将导致系统损害、作业失败等一系列问题。变形机器人可以通过构形的变化来提高系统的稳定性和抗倾翻能力。理论分析了移动机器人的倾翻问题,提出稳定锥方法和倾翻性能指数对移动机器人的静、动态稳定性进行综合判定,讨论了三模块履带机器人变形过程中的倾翻稳定性变化,同时仿真比较了机器人的五种能动构形在仰俯、偏转、倾斜等干扰组合作用下的倾翻性能。理论与仿真研究为变形机器人投入到实际应用提供了参考。

可变形机器人协同转向运动研究

可变形机器人AMOEBA-I具有多种构形和多种转向方式.为实现机器人转向性能的优化,提出了可变形机器人的协同转向方法,并建立了相应的数学模型,对不同构形下的协同转向方式进行了理论分析.设定了机器人三个模块在协同转向过程中的运动关系,在此基础上给出了可变形机器人协同转向性能的评价指标.通过理论和实验比较了不同构形下的协同转向方式,实验验证了协同转向方法的有效性.

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。

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。

轮-履复合可变形机器人的移动机构参数分析

针对非结构环境地形特点,结合轮式、履带式移动机构在复杂地形环境中的运动特点,设计了一种适应于非结构环境的轮-履互换、履带几何形状可变化的复合型移动机器人。该轮-履复合型移动机器人的机构系统由一个控制箱体和两个相同的轮-履复合移动单元模块组成。每个轮-履复合移动单元模块由运动轮和几何形状可变的履带轮构成,在一个驱动力的作用下根据不同的约束环境而表现为轮式和履带式两种运动特征,同时此单元模块具有轮-履互换、履带几何形状可变等特点。运用理论推导、参数优化等方法对轮-履复合移动单元模块的机构参数进行了分析综合,并经仿真分析验证了机构参数选择的合理性,为轮-履复合、履带可变形移动机器人的机构参数化设计提供了理论依据。

模块化变形机器人非同构构形表达与计数

提出一种新型链式可重构模块机器人平台,该机器人平台具有手动可重构和自动变形的特点,介绍一种三模块变形机器人样机。组成机器人的单个模块可以简化为由模块本体、连接臂和偏置关节组成。模块的数量可以根据实际工作的需要进行选择,模块间的连接具有规则连接和非规则连接两种方式;同时,由连接模块的偏置关节的运动,模块间的相对位置可以改变。由于模块连接方式的不同和模块间相对位置的变化,变形机器人具有多种非同构构形;为此,根据模块的物理结构和邻接关系提出了用构形矩阵来表达机器人结构的拓扑信息,并在仿真环境下进行等效描述;提出基于组合计数原理的递归算法,用于多模块变形机器人的非同构构形的计数,并根据构形矩阵的拓扑信息对构形进行评价。最后根据仿真结果给出了一种三模块变形机器人样机对称构形的设计示例,验证了算法的可行性。

一种可变形机器人的避障分析

为提高未知复杂环境下移动机器人的自主避障能力,提出了一种将齿轮传动和超声波模块相结合的四连杆式变形避障机器人。该机器人通过舵机传动、连杆180°极限变形来改变自身形态以快速适应障碍的分布并躲避障碍。利用ADAMS软件及室内搭建实物环境,对直线和弯道两种避障环境进行了仿真与实操,尤其宽度窄于机器人本体的特殊障碍环境,验证了避障算法及机器人结构设计方案的有效性。

具有翻滚模式的可变形四足机器人结构设计与分析

为了适应崎岖与平坦共存的非结构环境,提出了一种具有翻滚运动模式的可变形四足机器人。对可变形四足机器人进行了结构设计,并采用几何法得到了其结构参数,进而对其进行了静平衡配重,使得圆形滚动体的质心与形心重合。滚动体的直线翻滚模型可以简化为由弓形杆件组成的平面开链连杆机构。当杆系展开为非圆形滚动体时,由杆系质心离开平衡点而产生的重力矩驱动滚动体。利用D-H法推导了非圆滚动体在一个准静态滚动周期中的质心表达式。将圆形滚动体的结构参数代入表达式从而得到其在准静态滚动过程中质心偏置的变化情况,验证了结构设计和静平衡配重的合理性。

可变形机器人自主攀爬楼梯控制研究

设计并实现了一种机器人自主攀爬楼梯系统,研究了复杂环境下可变形机器人自主攀爬楼梯的控制方法。通过分析楼梯面与机器人履带的接触方式,包括梯面打滑、棱刺打滑、履带打滑等,确定了机器人进行梯面翻越、梯面行走时不打滑的条件,以提高机器人的爬行效率。对传感器的感知信息进行滤波,以提高机器人的感知能力,确定楼梯的首末台阶,进而制定有效的爬行策略。通过对整个控制系统进行建模分析,建立了系统的软件流程图;通过对多种典型楼梯环境进行试验,验证设计方法的有效性及较好的鲁棒性。

可变形机器人在线同步定位与地图创建系统的设计与实现

本文针对室内复杂环境或废墟环境的特点,根据变形机器人的结构特点和运动特性,设计并实现在线同步定位与地图创建系统。同步定位与地图创建系统由环境信息获取子系统、机器人状态信息获取子系统、定位和地图在线更新子系统三部分组成。基于扩展卡尔曼滤波原理进行环境数据信息的估算处理,实现环境地图的在线创建和更新。最后通过室内环境实验验证了同步定位与地图创建系统的有效性。

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。

平行四边形可变形履带机器人运动学分析

为适应灾难救援环境,设计了一种平行四边形变形履带机器人VPTMR(Variable Parallelogram Tracked Mobile Robot),该机器人具有良好的越障能力。针对VPTMR跨越台阶过程的动作进行了分析与规划,对越障过程中的分阶段建立了运动学模型,分析了机器人在越障过程中整体质心位置与摆臂角的变化规律;为了使机器人在跨越台阶的过程中的质心保持最低,对VPTMR越障的动作姿态进行优化,将摆臂角的规划曲线进行拟合,并对比分析了优化前后的结果,为后续的动力学分析打下基础;实验结果表明了动作规划的正确性和姿态优化的有效性。

基于nRF905仿变形虫机器人无线控制系统设计

提出一种基于射频通信的仿变形虫机器人无线控制系统设计,其无线功能主要通过射频芯片nRF905完成。利用C8051F410单片机作为微控制器,用以配置nRF905以实现对控制信息的无线发射和接收功能。测试结果表明,该控制系统方案能很好的工作,使得仿变形虫机器人在一些非结构环境下运动成为可能。

球—轮复合可变形机器人的结构设计与分析

设计一种将球形机器人与轮式机器人运动特点相结合的可变形移动机器人。该移动机器人可以适应多种复杂的地形环境,自身几何形状发生变化以实现球形和轮式机器人互换。球—轮复合型移动机器人的机构系统由可变形球壳、球体推进装置和轮式驱动装置组成。通过对可变形球壳的拉伸和收缩实现球形和轮式机器人之间的角色交换。运用理论推导和参数优化等方法对球—轮复合型移动机器人中的变形球壳、车轮、和驱动重摆的结构尺寸进行分析,并通过仿真试验验证了机构尺寸参数选择的合理性,为该复合型移动机器人的机构设计提供了理论依据。最后通过实物试验验证,证实了该移动机器人实现的可行性。