空间四面体翻滚机器人运动学分析及仿真实验

对四面体及多面体机器人的研究现状进行了分析.介绍了空间四面体翻滚机器人的结构,由6根伸缩臂和4个顶部节点平台组成,通过伸缩臂的运动可以使四面体的重心失稳,实现翻滚运动.结合四面体翻滚机器人的运动形式,给出了翻滚的临界条件,根据不同的运动阶段对四面体翻滚机器人进行了运动学分析.利用Adams虚拟样机技术对四面体翻滚机器人进行了运动学仿真,并进行了样机的实验,验证了方法的正确性.该分析结果可进一步用于空间四面体翻滚机器人的动力学分析和优化设计.

自由漂浮空间机器人捕获翻滚目标的力-位-型融合控制方法

翻滚目标捕获过程中,空间机器人的运动会对基座产生扰动、接触过程的冲击碰撞容易产生安全风险。因此,为了在捕获翻滚目标的同时抑制空间机械臂对基座的扰动和对目标的碰撞冲击,提出一种自由漂浮空间机器人力-位-型融合控制方法。首先将自由漂浮空间机器人的非完整冗余性、运动冗余性表征为型空间,构建由末端位姿、型状态组合的广义状态空间并建立系统的运动学和动力学模型;通过优化基座与机械臂的位-型及零空间运动,减小机械臂抓捕运动在基座产生的扰动;通过优化基座、机械臂与翻滚目标的相对位-型,减小碰撞冲击力在基座产生的姿态扰动。给定最优位-型及末端操作力,基于阻抗控制原理及零空间投影策略,实现多优先级力-位-型融合控制。最后,开展了空间机器人捕获翻滚目标的典型任务仿真,结果表明通过力-位-型融合优化与控制方法可以有效减小空间机器人捕获过程产生的基座扰动。

空间十二重四面体翻滚机器人运动学位置分析

介绍了空间多面体翻滚机器人的结构,由8个外部节点和1个中心节点通过26根伸缩连杆连接组成,通过各连杆协调伸长和收缩,改变机器人的构型,使机器人的重心发生变化,通过翻滚实现机器人向目标方向移动。对空间多面体机器人的研究现状进行了简要分析。提出一种几何方法对机器人进行位置分析,给出了十二重四面体机器人的空间位置正解和反解的计算过程。首先考虑一个四面体,已知3个节点在基坐标系中的位置求解出另一个节点的位置,依次选择新的四面体,最终求出十二重四面体机器人的位置正解。通过两个实例计算分析验证了该方法的有效性。

基于正四面体结构的空间四足爬壁机器人

提出了一种基于正四面体结构的四足爬壁机器人。该机器人采用真空吸附方式,其四只爬行足相互独立,围绕机体中心呈空间正四面体中心对称分布。将机器人的爬行足结构分为大腿、小腿、伸长腿以及足部,四部分协调配合工作;通过四只爬行足交替吸附表面与悬浮来完成机器人的运动,可以使该机器人实现平面爬行、越障、立体空间爬行以及壁面作业等功能。

空间四面体衍架机器人运动分析

基于四面体单元所构成的空间衍架具有良好的刚度和稳定性以及承载能力，因此适合用作变杆长的机械手（ＶＧＴＭ），Ｊａｉｎ和Ｋｒａｍｅｒ首先研究了这类机器人的正逆运动学，采用各铰点坐标以约束法分析其复杂的运动关系。本文在文献［３］工作的基础上，研究这类机器人的雅可比矩阵，使其正逆运动学分析规范比，并有利于进一步推广至静力学和动力学分析。并给出一个仿真数值计算实例。

空间双臂机器人抓捕翻滚目标后的鲁棒稳定控制

针对空间双臂机器人抓捕翻滚目标的稳定控制问题,由于目标惯性参数的不确定性以及双臂同时作用于目标存在内力挤压,已有的稳定控制方法无法有效地约束机械臂末端与目标的接触力与力矩,无法保证控制过程中抓捕点处的接触安全.为此,本文考虑被抓捕目标惯性参数不确定性与双臂内力挤压对抓捕后阶段组合体稳定控制的影响,提出了一种保证接触安全的鲁棒稳定控制方法.首先,根据目标的有界不确定性构造鲁棒正不变集,同时考虑双臂与目标接触内力的影响,利用预测控制方法在该不变集内规划控制目标运动的虚拟接触力与力矩.然后,根据目标动力学模型以及空间双臂机器人的运动约束,规划空间双臂机器人的鲁棒安全期望运动轨迹.最后,利用障碍李雅普诺夫函数构造跟踪控制器,使空间双臂机器人有效地跟踪期望轨迹,从而使得翻滚目标运动受到等效于虚拟控制律的作用,在保证接触安全的同时实现鲁棒的稳定控制.通过空间双臂机器人稳定翻滚目标的仿真算例验证了所提方法的有效性.

空间八面体翻滚机器人运动学分析及仿真研究

设计了一种空间八面体翻滚机器人,由6个顶点模块、12个伸缩单元模块以及1个载荷体模块构成;通过控制各伸缩杆之间的伸缩量来改变机器人重心,实现向目标方向翻滚。对空间八面体翻滚机器人的运动学正解和反解过程进行了分析计算,运用ADAMS软件对空间八面体翻滚机器人进行了步态规划及越障能力的动态仿真,验证了运动学分析的正确性,并得到了顶点及质心的运动规律曲线。该运动学分析方法与仿真结果为空间多面体翻滚机器人的优化设计提供了重要依据。

基于能力评估的空间翻滚目标抓捕策略优化

由于目标的翻滚运动,空间双臂机器人对动态目标的抓捕相比于静态目标更具有挑战性.对抓捕策略进行优化可以提高空间双臂机器人对翻滚目标的操作能力以保证任务的成功.本文提出了一种基于能力评估的抓捕策略优选方法.空间双臂机器人捕获目标时,双臂末端执行器与目标同时接触形成闭链系统,闭链约束的引入使操作能力的评估更加复杂.在对双臂空间机器人协调操作翻滚目标的运动学与动力学分析基础上,建立了考虑闭链约束的协调工作空间,并分析了基于任务兼容度的消旋能力评估指标.建立的协调工作空间同时包含位置和姿态信息,可以用于灵巧度的计算.接着,基于协调工作空间的全局灵巧度指标确定机械臂末端执行器对目标的最优抓捕点,以及考虑相机视角约束和末端执行器对目标速度跟踪约束下的力任务兼容度指标确定空间双臂机器人捕获翻滚目标时的最优抓捕构型.利用能力评估确定抓捕策略可以充分利用双臂的协调性以增加对动态目标的操作能力,通过仿真验证了所提抓捕策略的可行性和有效性.

基于机器人柔性毛刷的空间翻滚目标消旋

设计了一种柔性减速刷消旋机构,将其安装于七自由度机械臂的末端,通过与翻滚目标帆板之间的接触碰撞进行消旋。利用绝对节点坐标法推导了柔性减速刷的动力学模型,并对其接触碰撞进行分析。针对自由漂浮空间机器人动力学建模和基座姿态的控制进行了研究,采用基于计算力矩法的滑模控制策略,对末端参数不确定的七自由度机械臂进行控制。滑模控制具有快速响应、对参数变化及扰动不灵敏等特点,确保了系统的全局鲁棒性和稳定性。有利于节省消旋时间,提高消旋效率。通过PD控制和滑模控制消旋仿真验证,该消旋策略能够成功消除初始旋转速度,消旋程度达90%以上,具有可行性与有效性。

冗余驱动全R副四面体移动机器人

提出一种由全转动副(R副)构成的冗余驱动四面体移动机器人。该机器人主体由六条RRR支链以及四个顶点构件构成,安装有六台舵机,为一种整体呈现正四面体外形的四自由度冗余驱动机器人。应用螺旋理论对四面体机器人进行自由度分析。根据自由度分析规划了机器人的翻滚步态,以该步态机器人可以实现连续运动且正三角形运动轨迹可以覆盖任意目标点。建立机器人的运动模型进行运动学分析,得到了实现翻滚步态的临界条件。建立仿真模型对翻滚步态及其临界条件进行了验证。制作一台样机,验证了该四面体机器人方案设计以及运动规划的可行性,实现了预期的运动效果。结果表明,全转动副设计可提高四面体机器人实用性,且少自由度冗余驱动设计可增加机器人系统可靠性。