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.

阿基米德螺线变形轮的设计与研究

针对轮组式、轮履复合式和轮腿复合式等传统爬楼机构对楼梯适应能力不足以及体积笨重的问题,以攀爬楼梯为首要任务和设计目的,提出了一种新型楼梯越障机构——阿基米德螺线变形轮。该变形轮不仅能够较好地适应楼梯这种复杂环境,而且结合了轮式行进机构的强机动性与螺线行进机构的优良越障性。使用SoildWorks软件对变形轮机构和总体装配方案进行设计;根据运动环境和越障过程对变形轮进行参数计算和数据分析,优化了变形轮翻越连续台阶过程;最后,应用Adams软件对变形轮越障过程进行仿真分析,并将行星轮和变形轮进行对比仿真,证明了设计与研究的有效性。仿真结果证明,所设计的变形轮具有较强的机动性与稳定性。

适应多种立面的磁吸附爬壁机器人设计与越障分析

针对现有的磁吸附爬壁机器人无法满足在多种立面作业的问题,提出了一种带有柔性关节履带结构,能自主适应多种立面的爬壁机器人。机器人每个柔性关节履带都具有前后俯仰自由度及左右翻转自由度,在平直立面或凹凸立面发生运动形态的变化时,自主与立面贴合。首先,建立机器人运动形态变化模型,分析机器人在曲率半径为(0.5~3)m的凹凸立面上运动时横摆角度与纵摆角度的变化规律。通过Adams虚拟样机,对机器人在壁面上的越障性能进行仿真,计算结果和仿真分析表明:机器人可以平稳越过39mm的障碍,具有一定的越障能力。

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。

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。

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。

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 。

输电线路除冰机器人关键技术综述

输电线路覆冰严重危害到电网的安全稳定运行,与传统除冰方法相比,采用机器人除冰在能耗、成本及安全性等方面具有优势。作为一个新兴的研究领域,国内外对除冰机器人的研究尚处在起步阶段,并没有成熟的技术可借鉴,因此有必要对现有研究成果进行系统分析和深入总结。回顾国内外高压输电线路除冰机器人的研究和应用现状,详细探讨了除冰机器人复杂柔性结构输电线缆上的高可靠性运动机构设计;复杂非结构化环境下的机器人自主行为控制与导航;无损伤高效除冰机构;野外大范围长时间工作的持续动力供给;远距离强电磁干扰条件下的机器人远程通信、监测和遥操作;恶劣工作环境中的本体特殊保护机制等关键技术问题。给出除冰机器人下一阶段研究方向的建议。

小型轮/履变结构移动机器人设计及越障分析

针对非结构环境中路面软硬相间、平坦与崎岖并存的地形特征,提出了一种小型轮/履变结构移动机器人,兼具有轮式移动机器人的快速移动性和履带式机器人的高越障性的优点.机器人主要由控制箱单元、两个相同的轮/履变结构行走单元和尾支杆单元组成.本文旨在介绍机器人的系统构成和行走单元的关键机构设计——行走轮定位、四连杆变换机构及可伸缩履带,分析对台阶、楼梯类地形的越障性能.实验结果表明:机器人采用的行走轮定位方法可靠,四连杆机构及可伸缩履带能够快速完成轮/履切换,对于台阶、楼梯典型地形具有高通过性,从而为轮/履复合机构技术实施途径和新的行走机理研究打下基础.

四连杆变形履带式机器人的越障性能分析

提出了一种基于四连杆机构的微小型履带式机器人结构,通过履带变形实现了机器人重心的偏移,有利于机器人的越障。采用数值计算方法着重分析了其翻越垂直路障的性能,并使用RecurDyn进行了虚拟样机运动学仿真。仿真结果和物理样机试验表明,机器人具有良好的垂直障碍通过能力。

轮腿式爬楼梯移动机器人的设计及运动特性分析

针对非结构化复杂环境对移动机器人的运动要求,结合轮式和腿式移动机构的优点,设计了一种高效、稳定的轮腿式爬楼梯移动机器人。设计了机器人的主要结构,分析了机器人的稳定性及转向性能。平地行走、转向、越障、上下楼梯等实验结果表明:设计的轮腿式爬楼梯移动机器人结构简单,运动灵活,控制方便,控制精度高,不需对运行步态进行预先规划,它不仅可以在崎岖不平的环境中实现快速行驶,而且实现了快速稳定的爬楼梯功能,具有很强的越障能力和环境适应能力。

可全程越障架空输电线巡线机器人设计

针对现有巡线机器人无法完全跨越所有地线障碍物的现状,提出一种新的巡线机器人越障方案.巡线机器人由单臂机构提供行走驱动力,双臂机构完成越障任务.该方案具有跨越所有障碍,且越障时动作简单,所需驱动力少的特点.通过理论分析及软件仿真的方法对巡线机器人越障关键环节进行分析,得到机器人越障过程的运动特性.在此基础上,制作出试验样机,并在模拟线路上进行越障实验,结果表明:该设计方案能完成预定的越障功能.证明了这种新的越障方案的有效性及可行性.

八轮式爬楼越障机器人设计与仿真分析

以移动机器人为研究对象,提出了一种以多组四杆机构为基础的八轮式爬楼越障机器人,机器人整个悬架结构呈对称式分布且载荷平台为整体式,控制和结构简单、具备承载能力且越障性能高。对机器人进行了整体方案设计、稳定角分析和越障仿真,对越障机构进行运动学分析以及优化得到了优化的轨迹图形,验证了机器人结构的合理性和稳定性,并通过样机实验验证了机器人承载和越障的稳定性,得到了机器人负载、越障高度和爬坡角度等基本性能参数。

在复杂环境中2自由度轮式铰接车辆的越障能力

为了分析2自由度铰接轮式车辆的越障能力,通过简化其越障时的力学模型分别给出了前轮同时越障和单侧轮越障的平衡方程。由于在复杂非结构环境下,诸如附着系数、滚动阻力系数等这些对车辆越障起到关键作用的地面参数具有不确定性,从而导致了顺利通过障碍所用的牵引力也是不确定的。文中用区间表示这些不确定参数,通过区间分析得到了该铰接车顺利通过障碍应具备的牵引力。通过仿真证明了理论结果是可靠的。

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。

汽车垂直越障能力的计算及试验

本文进行了不同工况下前轮驱动汽车垂直越障能力的理论分析、计算机模拟计算及试验验证;建立了结构参数与垂直越障能力的关系;并对前轮与后轮驱动汽车作了对比。其结论对指导前轮驱动汽车的总布置、某些参数确定及公路设施设计具有参考意义。

变幅轮腿机器人智能越障步态规划与平稳性分析

为了实现机器人林区伐根的智能越障,保证机器人搭载扫描设备时的越障平稳性,该文设计了一种主动摆臂六轮腿式机器人结构,它具备2个独立的摆臂轮腿运动单元以及4个复合的摆臂轮腿运动单元。该文运用拉格朗日方程建立了机身智能越障过程中的摆臂轮腿动力学模型,采用最小二乘法拟合推杆的速度函数,通过ADAMS动态仿真以及样机试验,得到该变幅轮腿机器人在智能越障10 cm高度的过程中,机身的最大侧倾角与纵倾角较被动碰撞越障的右倾4.5°和前倾2.5°减小到左倾0.75°和前倾0.4°,验证了智能越障理论建模的正确性以及该系统的可靠性。该研究为该机器人在人工林区扫描作业的平稳越障提供了理论基础。

具有越障功能的小型地面移动机器人

针对在危险环境下对移动机器人的运动要求,研究了机器人系统的总体设计,提出了一种具有越障功能的小型地面轮履复合式移动机器人,阐述了其机构设计及其实现。分析了该机器人通过台阶、斜面、楼梯等障碍时的越障特性。研制完成的第一台样机具有结构简单、体积小、质量轻的特点,通过实验验证了该机器人运动灵活,具有很好的环境适应性和越障能力。