Kinematics analysis for obstacle-surmounting capability of a joint double-tracked robot

A double-tracked robot is designed from mechanical and control perspectives,which consists of two segments connected with a swing joint. As the angle between the two segments of the robot platform can be changed,the robot can move like a four-tracked robot on many terrains. The center of gravity（ CG） kinematics model is established,which plays an important role in the process of traveling over obstacles and climbing up stairs. Using this model,the CG change situation and the maximal height of the climbable obstacle are obtained. Then the relationship between the robot pitch angle and the height of the obstacle is established. Finally,a reasonable system structure for the robot is designed and its kinematics analysis for obstacle-surmounting capability is conducted through experiments.

井下小型辅助运输车越障性能分析

为提高煤矿井下物料运输效率,设计了一种适应井下的小型运输车,对其井下越障性能进行分析。以垂直障碍物为例进行动力学分析,得出越过垂直障碍物能力与整车重心以及相关设计参数之间的关系,并基于动力学仿真软件RecurDyn对其进行越障性能分析。仿真结果表明,运输车能够平稳越过300 mm垂直障碍物和500 mm的沟壑,具有较好的越障性能。

基于有限状态机的绝缘子检测机器人越障控制

为提升机器人的越障控制效果,提出基于有限状态机的绝缘子检测机器人越障控制方法。该方法首先对机器人具体结构展开分析,基于分析结果获取机器人控制系统动力学方程;结合有限状态机理论建立机器人越障时的各项参数状态集合,获取机器人越障姿态序列,建立机器人越障控制模型;再根据建立的越障控制目标函数,结合B样条曲线跟踪方法对模型实施求解,获取模型最佳越障路径规划结果,实现绝缘子检测机器人的越障控制。实验结果表明,使用该方法开展机器人越障控制时,控制方法的控制性能高、控制效果好。

关节履带式核应急机器人越障性能研究

为适应核事故现场强辐射、非结构化地形特征,设计了具有辐射防护能力和强越障能力的关节履带式核应急机器人,通过理论建模与动力学仿真对其在台阶、斜坡和壕沟三种工况进行了越障能力分析,对比分析了机器人越障能力的理论值和仿真试验值,验证了动力学模型的准确性;根据建立的机器人模型研究了质心对机器人越障稳定性的影响规律,提出了通过缩小质心半径波动范围提高越障稳定性的优化方案,并进行仿真验证得出了质心半径的最小值,为研究核环境非结构化地形条件下机器人越障稳定性提供了参考。

输电线路除冰机器人视觉定位方法研究

针对高压输电线路上的各种障碍物会影响除冰机器人的正常运行。为了提高机器人的越障能力,给出一种用于输电线路除冰机械人的视觉定位方法,用于机器人越障时的机械臂对准。使用Gabor变换把电缆线从背景中提取出来,然后用最小二乘法检测电缆线位置。通过不同光照度实验验证该定位方法的准确性和鲁棒性。实验结果表明,该检测方法可以在正常光照下准确定位,即使在高光照有部分纹理缺失时也有较强的鲁棒性。该研究为除冰机器人视觉检测方法的发展提供了一定的参考和借鉴。

一种轮腿复合型机器人的步态研究与越障性能分析

为实现地面移动机器人在复杂地形下的环境探索需求,结合轮式机器人的高速特性和足式机器人对地形适应性强的特征,提出一种轮幅型轮腿复合型机器人,并针对其在移动过程中的振动问题以及爬梯过程中的越障问题,对机器人进行步态研究及性能分析。从静力学分析中得出机器人轮腿结构以不同姿态着地时的受力情况,结合实际情况中机器人运动约束对机器人在前进、转向和越障等任务中的步态进行分析,并基于动力学仿真ADAMS软件建立动力学模型来模拟机器人不同步态下的振动情况以及越障性能。研究结果表明,结合本文提出的步态控制方法,该轮腿复合型机器人在复杂地形环境中具有较好的行进效率和越障能力。

六轮摇臂移动机器人结构设计与越障动力学研究

为提高移动机器人在复杂地形环境中的越障性能,提出一种被动式越障的六轮摇臂移动机器人。针对爬台阶问题对机器人的越障性能进行研究,从几何条件分析得到机器人不发生底盘托底现象时结构参数与越障高度之间的关系,并分析机器人的关键越障过程,建立了前轮、中轮、后轮的越障动力学模型,根据动力学模型分析机器人速度、加速度、附着系数以及重心位置等因素对轮毂电机输出转矩的影响。基于样机实验与ADAMS仿真软件验证了机器人的通过能力,并得到了机器人轮毂电机的输出转矩曲线,指导电机选型。研究结果表明,针对爬台阶问题,该机器人具有良好的通过能力,为提高机器人在复杂地形中的越障性能提供了设计参考。

任务型履带单兵机器人系统设计与越障性能分析

军事用途机器人的应用很大程度上降低了士兵及工作人员作业的危险性,针对当前单兵机器人普遍具有的结构复杂、携带不便等问题,设计并研制了一种便于携带的任务型单兵机器人,其轻质、灵活的特点可快速响应侦察、排爆、采样等任务的需要。为分析机器人的越障机理并提高越障性能,通过建立质心运动学模型,对机械臂俯仰角、机器人俯仰角与凸台越障最大高度进行理论分析,并通过仿真实验得到了机械臂不同姿态下机器人越障的质心位置变化曲线以及对应的驱动转矩曲线,以此确定了最佳越障姿态,最终通过实物实验验证了结构设计的合理性及理论分析的正确性。研究成果为后续单兵机器人的发展和移动机器人越障性能的改善提供参考。

履带式油茶垦复多功能作业机越障性能分析及试验

为了提高油茶的产量及防治病虫害,必须对油茶林地进行垦复、施肥、修剪、开沟、培土等一系列农艺作业。为此,设计了一款履带式油茶多功能作业机,采用履带式驱动,并配备多功能接头,可以通过不同的作业附件满足油茶不同的作业需求。油茶主要种植在丘陵山地区域,其越障性能是此类作业机械的关键因素。因此,结合履带式作业机越障性能的相关研究成果及此多功能作业机的力学特性,建立了越障力学模型,并通过试验分析了其越障性能,旨在为油茶林地实现机械化作业时所需的地表平整度提供了理论参考。

矿用救援探测机器人系统设计与研究

为了提升煤矿救援探测机器人在受限空间救援探测过程中通信稳定性、可靠性,以及煤矿事故现场非结构环境的通过性能,研制出一种具有自动跟随收放通信光缆功能的新型履带式救援探测机器人系统。当救援探测机器人移动时,自动收放光缆装置通过张紧传感器张力的检测,控制光缆卷筒旋转速度与机器人行走速度匹配,保证救援探测机器人收放线时行走通畅、与遥控服务器可靠通信。并对救援探测机器人悬挂履带行走机构进行越障性能分析,测试结果表明,救援探测机器人可顺利通过22 cm高的台阶,线缆卷筒通信光缆收放正常,机器人四路图像数据传输清楚连续,环境检测数据传输正常,系统整体运行稳定。

轮履复合式机器人的结构设计与越障性能研究

为了稳定发挥轮履复合式机器人的最佳越障性能,研制了一种能够根据环境切换多种运动模式的新型轮履复合式机器人。该机器人可以通过独立旋转机体和摆臂切换直立运动和履带运动模式,同时可以通过摆臂的转动大幅度地调节机器人的重心位置,具有较好的越障性能。在对机器人进行步态规划和运动机理分析的基础上,对跨越台阶这种典型运动过程进行了运动学和动力学分析,验证了机器人模式切换的可行性,并计算得到了机器人能够攀爬的台阶高度的最大理论值。最后,根据计算获得的理论数值,利用仿真软件对机器人台阶攀爬过程进行仿真,验证了计算数值的准确性和机器人的越障性能。

履带式核应急机器人攀爬台阶性能分析

针对核事故环境中核应急机器人的越障能力特点,设计了倒梯型履带式核应急机器人。与普通型履带结构相比,该机器人具有强越障性同时结构更加简单紧凑。张紧装置在机器人越障过程中可时刻让履带处于张紧状态,并且可以有效减小机器人所受到的冲击力。在此基础上,以攀越台阶为例对机器人进行数学模型计算分析,分析了机器人越障的临界条件与最大理论值。并用RecurDyn动力学软件建立仿真模型,对比分析机器人越障能力的理论值和仿真试验值,分析张紧装置对机器人爬越台阶稳定性的影响。结果验证了最大理论高度的准确性,为研究核事故环境下机器人越障性能提供了参考。

配电网电缆通道巡检机器人越障机构与控制系统设计

针对配电网地下电缆沟的环境特征,研制了配电网电缆沟巡检作业机器人。详细进行了巡检机器人机械方案设计,并进行了巡检机器人运动分析,从性能和越障能力两方面进行模型分析,计算得到巡检机器人最佳参数;对巡检机器人控制系统进行设计,并利用改进A~*算法设计了巡检机器人越障控制策略。由工控机运行控制策略,实现对机器人巡检、传动、感知和动力4个子系统的控制,指导机器人完成电缆通道内部巡检作业。对设计的巡检机器人进行实验验证,经水平直线实验、爬坡实验、越障实验验证,该巡检机器人可满足配网电缆明沟内复杂环境下巡检作业的要求。

漂浮式风电平台锚链检测机器人动力学仿真

提出一种新型锚链检测机器人用来检查海上漂浮式风电平台系泊锚链。与传统水下机器人相比,该机器人作业时沿锚链进行爬行作业。针对该新型锚链检测机器人,采用ADAMS软件对机器人沿锚链行进运动进行仿真分析。在此基础上,对机器人在锚链以45°和60°两种倾斜状态下的越障能力开展研究。结果表明,该锚链检测机器人在移动过程中运行平稳,符合结构设计要求,同时也为优化机器人结构提供重要数据。

多关节蛇形机器人的结构设计和运动实现

针对蛇形机器人整体研制的关键问题,包括材料选取、结构设计和运动实现等,研制了一种新型的多关节蛇形机器人。该蛇形机器人由11个二自由度正交关节构成,可在保证灵活性的同时实现三维高仿生运动。采用蛇形曲线设计了蛇形机器人的蜿蜒、蠕动和翻滚等基本步态,并进一步提出了改进的越障步态。同时,在V-REP软件中对蛇形机器人的步态进行运动仿真,比较了不同步态的运动轨迹和运动效率。最后,通过蛇形机器人样机步态实验,对步态模型中各个控制参数对蛇形机器人运动波形和运动速度的影响进行了分析,验证了蛇形机器人本体结构与控制系统的可靠性。研究结果对实现蛇形机器人的步态规划与运动控制具有重要的理论意义与实际指导价值。

轮腿可变式移动机器人越障研究

针对传统轮式和腿式移动机器人对复杂的地形环境适应能力不足的问题,设计了一种基于齿轮副结构的轮腿可变式移动机器人。应用SolidWork建模软件对机器人行进机构和总体装配方案进行设计;通过对机器人运动环境和越障过程受力分析,优化机器人翻越连续台阶过程;应用ADAMS软件对机器人越障过程进行仿真分析并搭建物理样机对仿真结果进行验证。试验结果表明,所设计的机器人能够高效翻越障碍地形,证明上述设计的可行性和仿真的正确性。

电力杆塔巡检系统设计及GNSS自主穿越越障路径测绘

以电力杆塔线路巡检机器人为研究对象,通过改进机器人行驶的无阻挡地线路径、研制自动上下线装置等改进了机器人系统方案。在此基础上,重点研究了巡检机器人自主越障控制。首先,线路结构信息、杆塔GNSS坐标与三维激光扫描数据与GIS先验信息相结合,完成全局环境与局部环境的识别与定位,获取巡检机器人的精准定位;其次,利用超声波传感器阵列获取障碍物集,主要是耐张杆塔障碍物集、悬垂线夹障碍物集;最后,选定自主越障控制策略,给定自主越障控制方案。试验结果表明小倾角角度或者是大倾角角度下自主穿越越障方案所需巡检时间均短于自主跨越越障方案,巡检速度更快,越障巡检效率更高。

四履带双摆臂机器人越障机理及越障能力

为发挥四履带双摆臂机器人的最佳越障性能,本文从运动学的角度,在固定双履带机器人越障机理的基础上,分析了四履带双摆臂机器人克服台阶、斜坡、沟道等典型障碍的运动机理及其最大越障能力,重点研究了四履带双摆臂机器人正向和反向两种攀越台阶方式的运动机理及其最大越障能力.以CUMT-II型煤矿探测机器人样机为例,绘制了机器人仰角、摆臂摆角与跨越台阶高度的3维关系图,以及斜坡坡度与摆臂摆角关系曲线,并求出了相应的最大越障能力的理论值,与实验室实测数据进行了对比分析.本文推导出机器人的最佳越障性能及对应的质心和摆臂的位置,可为机器人越障时质心位置的控制提供理论依据.

四摆臂-六履带机器人单侧台阶障碍越障仿真与试验

为了实现机器人代替人类在农业环境下作业,减轻人类的劳作负担,该文设计了一种四摆臂-六履带机器人(4SA-6TR),机器人采用套筒轴传动形式,其摆臂旋转运动与履带轮旋转运动相互独立,可实现多姿态变化,适应野外复杂地形。为掌握机器人的越障稳定性,建立了4SA-6TR机器人运动学关系矩阵方程,并借助重心定理对机器人运动姿态进行分析,得到机器人在全局坐标系下的重心坐标方程,并利用重心投影法判断机器人越障的稳定性。为实现机器人稳定越障,研究SA-6TR机器人单侧障碍地形的越障机理,建立机器人摆臂旋转角度与机器人横滚角度关系的数学模型;对数学模型进行推导,得到机器人在攀越单侧台阶平稳越障时机器人摆臂旋转角度?与台阶高度H的关系式。通过Soliworks三维设计软件及Adams仿真软件建立4SA-6TR机器人虚拟样机模型及仿真环境,完成单侧双重障碍地形越障仿真试验。通过室内测试试验,完成150 mm高的障碍测试,测试发现机器人的俯仰角度偏差较大,最大偏差2.4?,但最终俯仰角度稳定在0.1?左右;横滚角度偏差较小,最终横滚角度稳定在0.3?左右,达到了机器人平稳越障的控制目的,并验证机了器人摆臂角度控制策略的正确性及可行性。本文推导的单侧障碍越障姿态调整控制方案可为4SA-6TR机器人自主越障提供理论依据。

行星越障轮式月球车的设计

为提高月球车的越障能力 ,结合月球表面的复杂环境 ,设计了一种行星越障轮式月球车 .该车主要由 3大部件组成 :车架、悬架 (由扭杆弹簧和磁弹簧减振器并联构成 )和行星越障轮 .设计重点在月球车的行驶系统 ,该车不仅在悬架设计上考虑了行驶系统的越障性能———采用了扭杆弹簧和磁弹簧减振器相结合的形式 ,而且在车轮的设计上也考虑到车轮本身的越障能力———采用了行星越障轮 .对该车的行驶系统进行了概述 ,并对行驶性能进行了分析和计算 .结果表明 :该车具有较强的越障能力和灵活的转弯特性 。