“Power Tech仿生机器人”活动指导初探

“Power Tech仿生机器人创意活动”源自台湾地区,旨在培养青少年的创新精神、创新意识和创新能力,增强学生的动手、动脑能力,在活动中使他们的协作能力得到进一步增强.文章针对陈小少年科学院“Power Tech仿生机器人”研究所活动开展的情况进行总结,希望江苏省涟水县陈师镇中心小学（以下简称我校）的得与失能对其他学校的工作开展有一定的帮助.

仿生六足折纸机器人结构设计与运动分析

针对现有折纸机器人组成结构单一,运动不够灵活的问题,将折纸结构与多足机器人设计相结合,耦合三浦折纸和六折痕折纸,提出新型的仿螃蟹六足折纸机器人设计方案,扩展了折纸机器人的运动构型,提升了折纸机器人的运动灵活性.在面对称假设下,该机器人单足具有2个自由度,此时将机器人腿部顶点等效为关节,轴线折痕等效为连杆,建立机器人腿部的平面连杆等效模型,并以折面夹角为运动变量,通过仿真计算得出机器人足端的理论运动范围.利用楔形面板技术对折面增厚并避免相邻折面发生物理干涉,建模得到折纸仿螃蟹六足机器人的三维模型.基于平面连杆的等效模型,分析折面夹角与足端运动之间的联系,设计确定机器人的足端运动轨迹与运动步态.利用3D打印技术设计并制作折纸仿生六足机器人试验样机,基于STM32单片机控制实现了机器人三横向角步态运动.结果表明,该折纸仿生机器人可以实现平面构型到仿螃蟹构型的转换,在6条腿的协同运动下,机器人可以平稳地左右横向移动.

受海龟爬行与山羊行走启发的四足仿生移动机器人多步态规划及动力学分析

为解决救援机器人运动速度慢、环境适应性差和步态单一等问题,参照海龟与山羊的生理结构,设计了一种四足仿生移动机器人。首先,根据海龟能在松软地面上爬行以及山羊运动能力强的特点,为机器人规划了仿海龟爬行和仿山羊行走两种步态以适应不同环境,提高了机器人的运动性能。然后,对机器人支腿进行了动力学分析,通过建立动力学模型来获取机器人关节扭矩与运动性能参数之间的定量关系。最后,通过仿真和样机实验来验证机器人步态的可行性以及机器人的环境适应能力。结果表明,所设计的机器人结构稳定,步态规划合理,可适应不同的复杂地形。研究结果可为仿生机器人的设计与开发提供重要参考。

两足拟态仿生机器人设计制作

本文利用计算机三维软件根据动物的形态特征,基于仿生、连杠机构运动副,结合艺术美学对移动的两足仿生机器人进行身躯、头部、尾部、腿部的机械结构设计,以Stm32f407芯片作为主控芯片完成控制系统设计,能进行有实际运动的拟态仿生。

仿生双爪式管道攀爬机器人设计与分析

针对燃气与管道工程等领域的高空作业,设计了一种永磁铁辅助式具有可调步距的蠕动和翻转两种步态的双夹持器仿生攀爬机器人。为防止机器人出现滑移和翻转倾覆失稳情况,对其进行了力学分析;根据机器人构型对其进行了运动学与攀爬步态分析;对蠕动攀爬步态进行直线路径规划,并在SOLIDWORKS MOTION环境下对其两种步态进行了运动仿真。样机试验说明了机器人在蠕动和翻转两种步态下均具有良好的稳定性,两种步态配合可实现障碍物的翻越。该机器人在高空管道领域作业方面具有较好的应用价值。

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。

基于CPG控制的双髻鲨仿生机器人设计与实验研究

随着人类对自然的探索越来越深入,新型水下航行器的需求与日俱增,仿生机器人因其特殊的推进方式和高效的推进效率而受到越来越多的关注,而传统的仿生鱼类仅模拟了流线型外壳,少有提及仿生对象本身结构对于仿生性能的影响,本文提出了一种基于中央模式发生器(CPG)的类双髻鲨仿生机器人.以鱼类基本运动形态为基础,将鱼身抽象为关节连杆结构,建立了三关节四连杆的仿生机器鱼模型并进行了仿真计算.根据步态规律预估了其运动性能,随后通过实验验证了可行性.本仿生鱼旨在以简单的机械结构和较低的控制成本,实现对双髻鲨的最大限度模拟,得益于良好的仿生结构,中央模式发生器的引入,以及柔性硅胶材料在鱼身的应用,此机器人拥有体型小,控制简单,地形适应能力强,能量利用率高等特点,与传统水下推进器相比噪音更小,环境适应能力更强,在科研、农业等行业均具有广泛的应用前景,如野外勘测,水下救援,水域巡逻等.

面向深空探测的仿生机器人研究综述

介绍了面向深空探测的仿生机器人的仿生原理、构型特征、性能参数等研究情况;对比分析了不同类型仿生结构的优缺点,例如躯体扭动型机器人运动自由度大但控制难度高、成熟度低,而支腿爬行型机器人结构刚度大但运动形式单一;提出了仿生机器人在深空着陆探测任务中涉及的仿生设计、材料科学、自主性控制等关键技术。在后续研究中,应重点关注能源管理、环境适应性设计等方面。上述研究结果,可为深空探测仿生机器人发展提供参考。

基于高仿生形态布局的仿鸽扑翼飞行机器人系统设计

针对现有扑翼飞行机器人存在的飞行形态与实际鸟类相差较大,以及翅膀、尾翼布局和俯仰、转向控制方式仿生度较低的问题,提出一种形态布局与鸽子相仿的扑翼飞行机器人系统设计及实现方案.通过设计弧面-折翼-后掠翅膀、仿鸟扇形尾翼以及尾翼挨近翅膀后缘布置的布局方式,使扑翼机器人飞行形态更加接近真实鸟类,提高扑翼机器人的形态仿生度.在此基础上,设计结合下扑角调控无需尾翼大角度上翘的俯仰控制方式,以及不依赖于尾翼的翅膀收缩转向控制方式,在提高仿生度的同时保证飞行控制的有效性.在具体设计过程中,首先参考鸽子翅膀型式选择不同类型翅膀并进行风洞测试,确定出下扑角变化时仍能保持较优升推力性能的翅膀设计方案;其次,对各种尾翼型式进行分析和比较,结合鸽子尾翼特点进行仿鸽尾翼及俯仰、转向控制机构设计,并通过风洞测试验证;最后,设计飞控系统并装配整机,进行外场飞行测试,验证仿鸽扑翼飞行机器人平台的稳定性和可控性.

可重构仿生四足机器人倾覆后恢复机理与特性研究

农业环境起伏多变,边界模糊,大多呈非结构化分布。四足机器人在复杂农业环境中作业时,易出现因倾覆失去运动能力的情况,因此机器人需具备倾覆后自我恢复能力。传统四足机器人倾覆后恢复多数依靠腿部运动来实现,而可重构四足机器人,可通过躯干与腿部协调运动来实现倾覆后自我恢复。本文基于可重构躯干构型多变,得到了多种仿生形态的可重构四足机器人,规划了基于可重构理论的倾覆后恢复机理。对比倾覆后可重构机器人利用躯干拱起折叠和单侧翻转折叠两种恢复方式,分析R1型、R2型可重构四足机器人恢复的运动特性。利用软件ADAMS进行仿真,对仿真数据进行分析,证明了可重构躯干比刚性躯干更有效地减少了恢复过程中的冲击。最后设计样机并进行实验,验证机理实施的可行性与稳定性,研究结果表明其可降低实现静态自我恢复的难度。

基于幽灵蛸的仿生水下机器人设计

为解决传统水下机器人螺旋桨推进器体积大、容易被雷达探测、水草缠绕和推进效率低等问题。受生物幽灵蛸灵活性、平稳性运动的启发,根据生物幽灵蛸的外形特征和运动机理设计了一款水下机器人。该机器人由流线型头部,空腔外壳,双自由度水翼短鳍和喷射机构组成。通过短鳍的控制和喷射机构的推进,可以实现仿生幽灵蛸的前进、转向、俯仰等姿态调整动作。通过SolidWorks软件对装置进行了三维建模和仿真分析,验证结构设计的合理性,加工制作模型样机,最后通过水下实验,验证了所设计的仿生机器人具有高度灵活性、平稳性、低噪声等优点,可以作为水下侦察和环境监测的载体。

仿生六足机器人虚拟模型控制

论文针对仿生六足机器人运动问题,提出了一种基于虚拟模型控制(Virtual Model Control,VMC)的简单直观的运动控制方法。在VMC框架中,一系列虚拟原件安装在机器人关节上,以产生相应的虚拟力。将机器人腿的运动模式分为站立相和摆动相两个阶段。站立相中,VMC被用于控制机器人躯干姿态,包括躯干高度和欧拉角;摆动相中,VMC为摆动腿提供控制,使其遵循期望的轨迹。通过状态机实现机器人腿状态切换和运动配合。仿真结果表明,设计的控制器可以实现六足机器人三角步态稳定行走。

蜘蛛仿生机器人设计

通过模仿蜘蛛的外形制作一个四足蜘蛛仿生机器人,具备了灵活性、适应性、运动多样性等特征。它基于Arduion IDE平台,以Arduion Nano模块为控制核心,使用SoftwareSerial类库将Arduino Nano上自带的硬件串口模拟成的串口,并以12个SG90舵机作为关节驱动,通过Arduion Nano模块定时器控制产生占空比可变的PWM信号来精准地控制舵机运动的速度和转动的角度;在设计中添加HC-05蓝牙模块,实现仿生机器人的无线操作功能。Arduion与手机之间的通讯,在手机端发送控制命令,使机器人做出相应的动作。

基于仿生机器人的狭小空间裂纹检测技术

飞机裂纹的检查贯穿飞机的整个生命周期,若不及时发现可能会带来严重的后果,尤其是飞机盒段等狭小空间部位,人不可达,微小裂纹难以快速检查,给飞机服役、地面强度及疲劳试验等带来重大安全隐患。本文研究了可自由进入狭小空间的仿生机器人平台,涉及仿生机器人机构、运动行为及步态规划、环境感知和避障等。开展了大量图像文本的数字增强、图像预处理、基于深度学习的图像裂纹算法等研究,在具有狭小空间特征的飞机盒段样件上开展了试验验证,通过盒段内部预设裂纹,有效地集成图像采集模块和仿生机器人平台,并结合图像采集环境调试,机器人路径规划、裂纹算法优化研究等,成功实现了对狭小空间内部的裂纹长度和位置的识别,为后续开展飞机裂纹全覆盖快速检查和维修策略提供技术支撑。

仿生六足机器人的运动分析及步态仿真

为了增强机器人在各种环境下的灵活性,设计了一种仿生六足机器人。利用Creo2.0软件设计仿生六足机器人的三维模型,并将三维模型导入ADAMS软件中建立仿真模型。通过ADAMS软件对仿生六足机器人进行直行步态仿真分析和转弯步态仿真分析,结果证实了仿生六足机器人的运动状态稳定,验证了仿生六足机器人的结构合理性和设计的正确性及有效性。同时,为实现仿生六足机器人的制作与开发提供了理论基础,也为实现仿生六足机器人的精确控制创造了条件。

新型两栖仿生机器人的结构设计和运动学仿真

两栖环境是一种多介质结合的复杂地形环境,普通的两栖仿生机器人因为其自身设计结构简单且可实现动作单一等问题,导致很难完成特殊复杂的任务。本文参考蝾螈生物模型,提出了一种新型两栖仿生机器人的设计方案。同时结合蝾螈在水中的运动情况,设计俯仰姿态控制系统,使得其可实现上浮、下潜、上仰以及下俯等动作。为了验证所设计方案的可行性,利用Solidworks对关键模块进行有限元分析,来验证特殊情况下材料强度和设计结构的合理性,同时采用Webots运动学仿真的方式对两栖仿生机器人各关节角度进行校验。最终得出该两栖仿生机器人设计方案布局结构合理,整机在两栖环境中动作流畅,具有较好环境适应性和高拟真率,为整机的研发和应用奠定了基础。

基于单片机的仿生四足机器人设计与实现

仿生四足机器人有着广泛的应用和研究价值,它可用于运输、作为机械宠物、辅助工人工作或代替人类在某些特殊环境下进行作业。而对生物行为的模拟,也可能让我们发现某些机械结构所具备的运动和力学优势,并将这些仿生机械结构应用到更多领域。本仿生四足机器人采用全肘式腿型配置,大腿由舵机直接带动其旋转;小腿的运动则采用空间四杆机构,通过杠杆的方式使其摆动。步态选择为对角步态,单片机采用英飞凌TC264。仿生四足机器人还装有陀螺仪,用于感知运动姿态。为了方便发送指令和查看反馈数据,该仿生四足机器人除板载按键以外,还配有无线转串口模块和蓝牙模块两种通讯模块。

仿生鱼算法在水下机器人通信中的应用研究

本文探索了仿生鱼行为算法在水下机器人协同通信中的应用。通过模拟鱼群的集体行为和通信机制,该算法为水下机器人提供了新思路和方法。试验验证发现,与单独采用一种通信方式相比,仿生鱼行为算法能够在水下环境中有效提高通信效率和可靠性。该研究为水下机器人的应用领域拓展和通信技术改进提供了重要参考,具有重要的理论和实践意义。

气动仿生农业机器人的设计与实现

基于第十届全国大学生机械创新设计大赛(慧鱼组),介绍了一种基于气动控制系统简单、高效等特点的用于农业领域的气动仿蚯蚓运动的农业机器人设计方案,包括机械结构设计、气动回路设计和远程监控系统设计,最后对该机器人进行了调试与实现。其具备的多功能让其具有一定的推广应用价值。

基于单片机的六足仿生机器人设计与实现

近年来全球对智能机器人需求增长迅速,医疗、工业、农业等领域对仿生机器人提出了更高要求,六足仿生机器人设计以蜘蛛为模仿对象,采用STM32F103VET6为主控芯片,PCA9685PW为舵机控制主板,系统包含18个舵机、WiFi模块、电源电路等,可以流畅地实现机器人的爬行、转向、高度调整等动作。