复杂地形下仿生轮腿式机器人位姿控制研究

丘陵山地地势复杂、地形多变,农机装备作业环境以倾斜角度较大的斜坡为主,传统农机装备在丘陵山区复杂地形下作业时效率低、稳定性差,甚至会出现侧倾、翻车等现象。本文从仿生机械设计角度出发,提出一种在丘陵山地复杂地形下能够自主实现位姿调平控制的轮腿式机器人平台,提升复杂地形下的作业稳定性和安全性。以昆虫后足为仿生机械设计对象,并结合多连杆机构原理,完成新型变行程轮腿机构及机器人平台的整体架构设计。采用D-H参数法分析了轮腿机构运动学特性,结果显示轮腿式机器人离地间隙最大调整量为574mm,具备较强的越障能力。在空间坐标系上定义轮腿式机器人空间姿态参数,推导得到机身姿态角与轮腿伸缩量之间的空间姿态模型,并设计了基于NSGA-Ⅱ的机身空间姿态逆解算法。基于空间姿态逆解算法构建了轮腿式机器人全向位姿调平位姿控制系统,包含机身调平控制器、“虚腿”补偿控制器和质心高度控制器,在复杂地形下行驶时能够控制轮腿式机器人俯仰角、侧倾角、接地力、质心高度等空间姿态参数,然后通过搭建的轮腿式机器人ADAMS-Matlab联合仿真模型完成了位姿控制系统算法仿真验证。在机器人样机上开展了离地间隙自动调整和机身全向位姿调平试验,试验结果表明,试验样机离地间隙最大调整量为574mm,同时在复杂地形下能够实现机身位姿全向自动调平,调平平均时间约为1.2s,调平平均误差为0.8°,位姿控制响应速度与调平精度能够满足实际工作要求。

可重构性和解耦性轮腿式机械腿构型综合方法

基于螺旋理论和可重构机构运动分岔原理,综合出一组完全解耦的可重构轮腿式混联机械腿构型。根据机械腿轮、腿模式自由度需求,分析了机械腿轮腿变换机理,进而综合和筛选出5种主运动支链。基于轮腿变换机理,提出约束支链布局原理和方案,基于螺旋理论构造约束支链,根据主运动支链及约束支链几何条件,进行运动副轴线变换及运动副分解、组合,最终得到134种约束支链。基于并联机构运动解耦概念,导出驱动副选取条件,确定各约束支链上的驱动副位置。通过实例验证机械腿的可重构性和解耦性。研究结果表明:综合出的机械腿基于约束奇异实现轮腿模式切换,减少了构态变换所需的时间消耗,使模式切换更加高效;由于结构约束的存在,轮式运动时,无需锁死与腿模式运动相关的关节,减少了能量消耗及驱动控制难度。

基于前馈补偿的轮腿式机动平台姿态自适应控制

在通过复杂路面障碍时,轮腿式机动平台的轮端负载较大,且地面对轮胎的外力会突然变化,会显著降低机身姿态的控制精度,并容易导致轮胎脱离地面失稳等问题。为提高平台的地形适应能力和稳定性,提出一种基于前馈补偿的平台姿态自适应控制策略。构建平台的逆运动学模型和动力学模型,考虑轮-地接触点垂向支撑力和纵向驱动力实现轮-地接触状态的实时估计,结合腿部高度观测器和轮-地接触状态估计器获得腿部垂向补偿高度,兼顾平台车轮运动稳定性和姿态自适应控制精度。考虑平台机身动量和角动量,利用二次规划算法优化的轮端虚拟驱动力求解前馈补偿力矩,以实现平台的运动精确控制。仿真结果表明,该方法可以有效提高轮腿式机动平台在崎岖路面环境下的姿态自适应控制精度和轮胎驱动稳定性,为在复杂工况下轮腿式机动平台执行侦察等任务奠定基础。

轮腿式无人战车越障性能分析

针对非结构化复杂路面环境下无人战车在执行军事运输、抢险救灾等任务时通过性不足的问题,提出了一种轮腿式全液压驱动的8轮无人战车,该战车通过摆臂的协同控制调整其运行姿态,可适应不同的复杂地形。越障性能是衡量无人战车通过性的关键要素,建立无人战车的越障动力学模型和姿态规划模型,通过求取轮腿式无人战车不同越障高度与摆臂摆角的关系式,得到无人战车典型垂直墙障碍的越障性能。在理论分析的基础上,利用QT、Simulink、ADAMS建立综合仿真平台,进行了仿真验证。研究表明:轮腿式全液压驱动的8轮无人战车可完成高度为轮胎直径1.176倍的垂直墙越障,具有良好的地形适应能力,为8轮无人战车的实验测试提供了理论参考。

星球车松软星壤的轮腿式探测系统:Ⅰ-概念设计

为提高星球车在松软星表的穿越通过能力和危险探测能力,提出了一种前置轮腿式探测系统(WOLS)概念设计,以期能够用于轮壤相互作用的接触探测。提出了面向松软星表穿越的星球车WOLS概念设计和功能需求,建立了WOLS机构的运动学和力传递分析模型,并用于指导机构尺寸参数的优化设计。最后,实车测试验证了不同工况WOLS的设计目标和功能实现。

星球车松软星壤的轮腿式探测系统:Ⅱ-感知车轮

为增强星球车松软星壤的穿越通过能力,提出了轮壤交互接触信息的感知车轮设计。该车轮是一种星球车的前置轮腿式探测系统(WOLS)的关键部分,可实现动态轮壤交互的关键量测量(轮壤作用力/力矩、轮壤接触角和车轮沉陷量)。研究分析了轮壤力学的关键测量参量及其分组,完成了感知车轮的硬件设计和集成,提出了待测参数的在线测量模型和方法,通过标定校准和实车测试验证了该感知车轮的性能。

一种可变径轮腿式越障机器人的设计与研究

针对地面移动机器人在非结构化地形中越障存在的局限性,提出一种基于平面齿轮连杆杆组的可变径轮腿式越障机器人的设计方案。首先对越障机器人的变径机构在轮式和轮腿式两种模式之间的变换原理进行了介绍。当遇到障碍物时,变径机构可依据障碍物的高度来变换模式从而进行越障运动。在此基础上通过计算其变形比以及运动学分析仿真,验证了该变径机构设计的合理性、较强的越障能力和模式变换时的可靠性和稳定性。其次通过构建力学模型来分析两种模式下机器人的越障能力,得出其在不同模式下的极限越障高度。最后,基于ADAMS软件对机器人在单台阶、连续台阶以及复杂路面时的越障能力进行运动仿真。结果表明该越障机器人在面对不同工况时都具有较好的越障能力,验证了设计方案的可行性。

轮腿式机器人轮-腿高效移动策略优化

复杂地形下的高效移动策略是轮腿式机器人研制过程中的技术难点。本文在常规移动策略的基础上,通过引入关节空间状态量描述支腿相对于机身的位姿,引入位姿转换量描述相邻时序的位姿状态量间的运动过程,进而建立起移动策略与时间和能耗的数学模型,并以移动时间最短和能耗最低为目标,建立了移动策略的优化模型,通过优化迭代形成轮-腿高效移动策略。复杂地形下的越障仿真表明,机器人采用轮-腿高效移动策略可实现越障功能,与常规移动策略相比,移动时间及能耗均明显降低,验证了轮-腿高效移动策略的有效性。

仿生轮腿式爬梯底盘结构设计分析与应用

针对现有的以履带组合式、升降伸缩式、行星轮式、连杆式为底盘的爬梯装置在克服台阶等障碍物时统一存在的水平不稳定、动力消耗大和操作较难等问题,该文设计了一款可实现自调节底盘保持恒水平稳定的仿生轮腿式爬梯底盘结构。提出了以该结构为应用点的辅助老人上、下楼装置,完成了其机械结构方案设计、控制逻辑方案设计和核心零部件的运动学仿真分析及强度校核。基于FTdesigner技术搭建出物理样机模型并开展原理性、功能性和稳定性测试研究,试验与仿真数据表明,该装置完全自适应调节座椅水平度,具有功耗低、便捷度高、稳定性强等特点。

基于地表扫描的轮腿式机器人轨迹生成方法

通过非铺装地面时,主动弯曲腿部以维持机身高度,是四足轮腿式机器人在遇到障碍时保持机身稳定、减小冲击震动的一个方法。四足轮腿式机器人独有的足端轮结构使得其能感应、主动贴合地形起伏。通过扫描地表高度生成贴合地表的轮轴运动轨迹,使机器人可以通过弯曲腿部的方式使机身保持固定高度,以提高机器人的运动稳定性。此外,通过检测机身高度的方法,验证了提出轨迹生成方法的可行性。

轮腿式机器人运动学分析及其步态规划

文中提出了一种可实现构型切换的轮腿式机器人,能根据地形的不同切换为不同的构型,且前腿末端可与夹取装置相结合,能够通过变换姿态构型将前腿用作机械臂,通过配合前臂关节与末端夹取装置协调运动以实现远程代替人工进行作业的功能;对轮腿机器人在运动过程中进行单腿的正/逆运动学分析;对轮腿机器人进行了CPG步态规划和可操作性仿真分析。结果表明:轮腿机器人运动平稳,前腿在混用为机械臂时可操作空间大,验证了可重构轮腿式机器人机械结构的可行性和合理性。

基于自适应的轮腿式机器人控制系统

轮腿式机器人作为创新性的移动机器人,其运动灵活性优于传统的移动机器人。而双轮轮腿式机器人由于其静态不稳定的特点,使其平衡问题成为控制应用中的重要研究对象。文章主要考虑两个影响传统控制器表现的因素。第一,轮腿式机器人为非线性系统,因此线性控制器无法保证非线性区间的稳定性。第二,可能的结构与负载的变化导致精确的模型难以实时得到,因此基于模型的控制器难以维持其控制精度。该文针对上述两个因素,推导出基于非线性自适应动态规划的平衡算法,并使用非线性轮式二阶倒立摆模型进行数值仿真验证、算法验证。控制效果与原控制器进行了比较,实现轮腿式机器人在不同工况下的自适应系统的搭建。

六轮腿式机器人结构设计与运动模式分析

复合运动模式机器人是移动机器人研究的热点之一。轮腿复合式机器人综合了轮式机器人的快速性和腿式机器人的灵活性,能更好地适应复杂地面环境。设计了一种圆周对称的六轮腿式机器人,其新型的轮腿组合方式使其在不增加多余驱动的基础上,通过改变自身构态实现轮腿运动模式的切换,降低了结构的复杂性,避免了轮子当作足在行走过程中磨损造成的不良影响。给出4种典型"3+3"三角周期步态和不同步态行走过程中的等效机构,建立了单腿正运动学和逆运动学模型,分析了不同步态间切换过程。根据机器人的特殊轮腿结构进行了轮腿运动模式切换规划,并分析了轮式运动和轮行过程中的转向问题,建立了4种轮行转弯运动学模型。通过轮腿式机器人样机试验,验证了其步行运动、轮行运动以及不同运动模式切换的能力。

新型轮腿式机器人研究

设计与研制了一种新型小尺寸、轻体重、多用途的轮腿式机器人,集中了腿式机器人地形适应性强和轮式机器人机动速度高的优点,可在复杂地形条件下以多种行进步态和运动方式完成特殊的机动任务.开发了上位机人机交互系统和基于ARM的嵌入式运动控制系统,实现了多轴伺服运动控制技术,在控制、反馈各环节之间以及机器人视觉系统中采用了无线数据通信方式,实现了机器人的远程遥控.并辅助以超声波探测器阵列,用多传感器信息融合技术配以实时避障算法和数字图像处理技术实现了机器人的自主运动及探测.仿真分析和原理样机实测表明,该机器人具有良好的越野行驶能力和稳定可靠的探测性能,为进一步研究小型多用途机器人理论和实践奠定了基础.

新型轮腿式地面移动机器人的结构设计与运动特性分析

依据平行四边形悬挂机构的运动特性设计的轮式移动机器人具有良好的越障性能,通过结合摆臂和行星轮机构而设计的新型轮腿式地面移动机器人克服了原有机器人不能跨沟的缺陷,对外界非结构化的路面环境具有良好的适应能力。详述了该新型轮腿式机器人的结构特点,对该机器人的运动特性进行了分析,并利用拉格朗日方程建立了该机器人越障状态下的动力学模型。采用一组可行的结构尺寸,利用ADAMS软件建立虚拟样机模型验证了该地面移动机器人的可行性。

轮腿式机器人倾覆稳定性分析与控制

对于运动在不平坦地形中的移动机器人而言,其倾覆稳定性非常关键.设计了一种结构对称的轮腿式机器人,它有4个独立的轮腿运动单元,能够变化多种构形.采用动态能量稳定锥方法和倾覆稳定性指数对机器人的稳定性进行综合评价,建立了一个模糊神经网络自适应控制系统.根据稳定性指数值,该系统可以实时改变机器人的构形和速度,保证其倾覆稳定性.正弦路面上的仿真结果表明,该系统所产生的动作实时性好、可靠性高,能够降低机器人自主越障过程中的危险.

一种轮腿式变结构移动机器人研究

提出一种新型的轮腿式变结构移动机器人。将四足哺乳动物腿式运动方式与轮式机构相结合,实现了轮式、腿式、轮腿结合等多种运动模式。在对机械本体结构分析的基础上,阐述了各种运动模式的运动学模型和步态生成方法。开发了主控计算机人机交互系统和基于ARM和DSP的嵌入式运动控制系统,采用无线以太网建立控制、反馈通道,实现了机器人的遥控/半自主运动控制。实验表明该机器人具有较强的非结构环境适应能力。

轮腿式机器人倾覆稳定性分析与仿真

在复杂的三维地形中,移动机器人的抗倾覆能力非常关键。针对非结构化环境对小型移动机器人的运动要求,设计了一种具有多驱动模式的轮腿式机器人。该机器人采用对称结构,有四个独立的运动单元,能够变化多种构型。采用动态能量稳定锥方法和倾覆稳定性指数对机器人的稳定性进行综合评价。分析了机器人变形过程中的稳定性变化,以及存在路面干扰和惯性力干扰时机器人六种典型能动构形的动态倾覆稳定性。仿真试验表明,该机器人的多种能动构型有利于提高其倾覆稳定性。

轮腿式可移动载人月面着陆器概念设想

为提高月面探测的机动范围和探测能力,提出了一种新型轮腿式可移动载人月面着陆器方案设想,综合载人月面着陆器和月球车的能力,具备轮式高速移动和腿式高效避障的优点,支持月面着陆和起飞任务的执行,支持较大范围的机动作业,支持月球基地构建和运营,满足载人登月以及月球基地任务的应用需求;提出了轮腿式可移动载人月面着陆器所涉及的关键技术,可作为后续开展深入研究的参考。

轮腿式壁面清洗机器人控制系统研究

针对高层建筑玻璃幕墙的清洗要求,采用模块化的设计方法,研究了轮腿式壁面清洗机器人控制系统。爬壁机器人系统采用多吸盘真空吸附方式,轮腿式与轮式相结合的运动方式,与高度自适应的清洗系统集成,并配备多种传感器,结构简单,壁面适应能力及越障能力强,具有较高的作业效率和智能化水平。研究了其遥控方式与自动方式下的吸附系统控制、运动控制、越障与姿态控制,以及清洗作业控制。