The Kinematics and Force Analysis of a New Leg Mechanism for Multi-legged Wall-Climbing Robot

This paper presents a new kind of leg mechanism with which the wall climbing robot can easily perform the ground to wall transition by itself.To get its walking envelope and limit position,the forward/inverse kinematics and the statics of the mechanism are solved.All of these lay the foundation for ground to wall transition gait programing,mechanism parameter selection and optimization.

A Star-Wheel Stair-Climbing Wheelchair

In order to achieve a wheelchair climb stairs function, this paper designs a star-wheel stair-climbing mechanism. Through the effect of the lock coupling, the star-wheel stair-climbing mechanism is formed to be fixed axis gear train or planetary gear train achieving flat-walking and stair-climbing functions. Crossing obstacle analysis obtains the maximum height and minimum width of obstacle which the wheelchair can cross. Stress-strain analysis in Solidworks simulation is performed to verify material strength.

轮腿式爬楼轮椅前腿机构的控制策略研究

针对爬楼轮椅前腿的位姿调节机构在工作时不能同时触地及受力失衡等问题,文中提出基于模糊比例-积分-微分(Proportional Integral Derivative, PID)的前腿同步位姿调节控制策略。首先,建立了前腿位姿调节机构驱动装置的数学模型。其次,根据爬楼轮椅工作要求设定合适的阈值,通过偏差大小来选用最优的控制算法,建立了基于模糊控制策略与模糊自适应PID控制策略。最后,结合模糊PID复合控制模型,实现前腿机构在复杂工况下的有效控制。实验结果表明:采用模糊PID的前腿同步控制系统超调量较小,达到稳态的时间更少,具有较高的稳定性。

基于自适应鲁棒控制的电动爬楼轮椅车研究

针对国内外各种电动爬楼轮椅存在的结构复杂、功能单一和控制精度不高等问题,提出一种基于自适应鲁棒控制的轮腿式多功能爬楼轮椅车方案.首先,从电动轮椅常用模式出发,按照轮腿式结构和行星齿轮组特点,设计了一种双行星轮组的轮椅机构,可以实现行驶、升降、爬楼3种功能;然后,根据爬楼轮椅工作的3个过程,建立了机器人运动学模型,得到了机构运动学求解公式;在Adams中通过模型动作编写了step函数,仿真得到机构爬楼运动轨迹,验证其满足爬楼越障所需要求;最后,设计了一种自适应鲁棒滑模控制器,得到轮椅角度和速度跟踪曲线、控制输入曲线,验证了其控制策略的合理性,为后期样机搭建奠定了基础.

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。

轮履复合式爬楼轮椅的设计与运动仿真分析

针对目前爬楼轮椅普遍存在着结构复杂、只能在爬楼过程中使用、爬楼过程需要辅助等不便利的因素,设计了一种多功能电动爬楼轮椅.此款轮椅主要由平地行驶机构、上下楼梯攀爬机构、轮-履模式切换机构、前后支撑机构和座椅姿态调节机构组成.针对爬楼轮椅进行了整体机械结构的方案设计并建立了机构的仿真模型.通过对上楼/下楼运动阶段的力学分析,建立了爬楼轮椅的力学模型.采用ADAMS对爬楼轮椅的关键机构进行动力学仿真分析,仿真结果验证了爬楼轮椅轮履切换机构的合理性和可行性.所设计的电动爬楼轮椅能够根据路况环境随时切换平地/爬楼工作模式,通过座椅的调节机构实时调整座椅的姿态,最大限度提高乘坐者的安全舒适性,真正满足了老年人及残障人士独立出行的需求.

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。

基于倾翻与滑移稳定性准则的轮椅机器人爬楼梯控制方法

提出一种采用单节变形履带机构的轮椅机器人。这种机器人能够通过前、后2组摆臂同时控制履带形状与张紧力,使履带更好地与障碍物相适应,从而提高传统轮椅及现有履带式轮椅机器人的越障能力。针对机器人爬越楼梯过程,提出一种过约束状态下履带与楼梯间作用力的近似求解方法,并结合履带与楼梯间的滑移分析建立了一种能够同时评判机器人倾翻与滑移情况的稳定性准则。在所建立稳定性准则的基础上,进一步制定了机器人自主爬越楼梯控制方法,并通过实验验证了控制方法的有效性。

多足爬壁机器人新型足-掌机构运动学和力解析

本文介绍了一种新型足－掌机构，利用该机构可以解决多足爬壁机器人从地面向壁面过渡行走的难题．通过对机构的运动学正、逆问题的求解，推导出足端的工作空间以及可达的极限位置，同时对机构进行了受力分析，为规划多足爬壁机器人地壁过渡行走。

双曲柄式爬升机构的设计与分析

通过对现有爬楼梯轮椅爬升机构的对比分析,提出了双曲柄式爬升机构。对双曲柄式爬升机构进行设计研究,建立了双曲柄式爬升机构的运动学模型,并在此基础上对其进行了爬楼过程中运动轨迹分析。仿真结果表明,该爬升机构结构设计合理,方案可行且运行平稳,能够满足设计要求。

一种机器人新型足-掌机构研究和设计

本研究提出了一种适合作为多足爬壁机器人腿的足－掌机构．采用这种足－掌机构的爬壁机器人不仅能够顺利实现地－壁过渡行走，而且有可能适应其他形状的非平壁面（如球面、柱面）．足－掌机构以平面正缩放机构为基础，附加两套四连杆机构实现对掌姿态的主动控制．文中分别讨论了其机构原理、样机的驱动和传动方案。

一种具有爬坡越障能力的移动机器人

针对目前移动机器人爬坡﹑越障能力不强的问题,设计了一种新型的移动机器人。该机器人采用轮腿式的移动结构,兼顾了腿式移动机器人和轮式移动机器人的优点。位于机器人两侧的机械腿,承担主要的行走功能,通过机械腿的旋转与伸缩,可以增加机器人跨越障碍的能力;机器人的前后端增加了辅助机械腿,在机器人爬坡的时候,后机械腿可以主动为机器人提供推力,增大了机器人的爬坡能力。通过机械腿之间的协调运动,机器人可以跨越深沟路段。针对各种路况对移动机器人进行了运动规划,并建立了机器人爬坡时的动力学模型。

基于Adams的六足爬壁机器人的步态规划与仿真

针对桥梁检测的要求,设计出了一种可以在桥底爬行和检测的六足爬壁机器人,通过对六足爬壁机器人运动机理以及腿部结构的理论分析和研究,提出了适应于桥底爬行的横向三角步态和横向四角步态。其中横向四角步态是从横向三角步态改进而来的,与横向三角步态相比,横向四角步态有更好的稳定性和安全性,更适用于桥底作业的这种工作环境。采用UG设计软件和Adams仿真软件相结合的方式分别对以上两种步态进行了仿真,实验结果表明了所提出步态的有效性。

爬楼梯轮椅发展及关键技术的研究

介绍了国内外爬楼梯轮椅的研究进展,从机械结构设计和控制系统设计两方面论述了制约其面向实用推广的关键技术问题,并对其未来的发展趋势进行了展望。

基于GPL模型的仿生爬壁机器人路径规划

为了研究基于GPL模型的仿生爬壁机器人路径规划问题,提出了一种适合GPL模型的路径规划方法。首先对基于GPL模型的爬壁机器人进行了简单介绍,通过对GPL模型进行运动学、静力学分析,研究了该构型攀爬运动时机器人路径对攀爬能力的影响;其次,基于足端力最优得到了GPL模型腰关节的运动曲线,实现了路径规划;最后,采用ADAMS仿真验证了分析结果的正确性。结果表明,该方法可以解决基于GPL模型的爬壁机器人路径规划问题,同时研究结果也揭示了壁虎等生物原型采用摆动爬行而不是直线爬行的运动合理性。

电动爬楼轮椅的结构及控制系统设计

针对提高老年人及残疾人的生活质量和出行方便性及改善他们的心理健康问题,本文运用机械设计及机械原理知识,基于Solidworks三维建模软件和可编程逻辑控制器(programmable logic controller,PLC),对电动爬楼轮椅进行了机械结构及控制系统设计研究。研究结果表明,通过使用变频器调节2个行星轮机构的转速,实现不同行驶速度及安全转弯的功能,同时通过转动体机构,保证电动爬楼轮椅上下楼的平稳性。使用者可以根据需要选择电动爬楼轮椅的不同功能,改善了使用者的心理情况,减轻了看护人员的劳动强度,实用性较强。该电动爬楼轮椅具有很好的实用性和经济性。

直线型连杆爬升机构的设计与分析

通过与现有电动爬楼轮椅的爬升机构的对比与分析,提出了直线型连杆爬升机构。对直线型连杆爬升机构进行设计研究,其端点轨迹上半部分为半圆形,下半部分为近似直线的弦,该轨迹与动物行走步态极其相似;将其作为爬升机构的设计基础,并利用SolidWorks软件对直线型连杆爬升机构进行建模,并对爬升机构在爬楼梯过程的轨迹进行了分析。结果表明,该爬升机构设计方案合理,爬升机构爬升运动轨迹近似直线,较大程度降低了颠簸,为爬楼机构的设计提供了新的理论参考。

星轮式电动爬楼轮椅的结构设计与稳定性分析

为了解决老人以及下肢残疾患者爬楼困难的问题,设计了一种星轮式电动爬楼轮椅。首先,采用可升降三星轮翻转机构实现轮椅爬楼功能,机构的升降实现了轮椅平地驱动与爬楼的切换,轮椅通过座椅调平机构可增加爬楼时轮椅的稳定性;然后,对轮椅爬楼过程进行力学分析,验证了轮椅爬楼时不会出现打滑现象;最后,结合能量法对轮椅爬楼时的前后向稳定性进行分析。数值分析表明,轮椅具有充足驱动力用以爬楼,能够在爬楼时不发生倾翻,具有乘坐安全和爬楼稳定的优点。

轮腿式爬楼轮椅后腿机构模糊PID控制系统

为实现爬楼轮椅后腿机构的动作要求,需要一套实时控制策略。采用TMS320F2812作为核心控制芯片,设计了一种复合式模糊比例—积分—微分(PID)后腿位姿调节控制系统。首先,根据爬楼轮椅的功能需求,给出了后腿机构的动作要求,并确定出合理的传感器安装位置;然后,搭建了控制系统的硬件结构,建立了模糊PID控制系统模型,制定出控制规则,并进行了软件开发。最后,构建了基于VC++6.0的上位机监控界面,并对该控制系统进行了测试和结果分析。实验结果表明:该系统在一定程度上降低了调节过程中的超调现象和稳态误差,提高了系统响应速度。

爬楼轮椅前腿机构的可靠度灵敏度分析

针对爬楼轮椅的前腿机构,其运动精度的高低影响着爬楼轮椅整机的稳定性,运用封闭矢量法建立了前腿机构运动输入、输出模型,在同时考虑了杆件尺寸制造误差和运动副间隙误差的基础上,建立了轮腿式爬楼轮椅前腿机构输出角度可靠度、灵敏度模型,利用MATLAB编写程序对建立的数学模型进行仿真分析,得出了机构在不同运动副间隙情况下可靠度的变化规律和其在不同参数下可靠性灵敏度的变化规律,为后期提高前腿机构的运动精度设计提供理论依据。