水下蛇形机器人关节旋转机构建模与运动分析

为满足水下蛇形机器人在管道检测、资源勘测的运动灵活性的需求,研发出一种两自由度关节旋转机构。介绍水下蛇形机器人整体设计和两自由度关节旋转机构结构。对关节旋转机构进行简化,建立齿轮传动系统数学模型,分析关节旋转机构的运动表现。建立关节旋转机构三维结构模型,并将简化三维模型导入Adams仿真软件,进行运动仿真,验证在不同角速度下关节旋转机构的运动情况。进行关节旋转机构实物实验,验证其运动实际可行性。实验结果对实现蛇形机器人水下蜿蜒运动具有重要指导意义。

水陆两栖蛇形机器人的研制及其陆地和水下步态

针对沼泽、浅滩等复杂环境对蛇形机器人的环境适应需求,在广泛分析国内外水陆两栖蛇形机器人研究最新进展的基础上,研发一种新型水陆两栖蛇形机器人。该机器人由9个具有密封设计的万向运动单元组成,保证了样机在陆地和水中均能灵活运动。基于简化的蛇形曲线得到水陆两栖蛇形机器人的基本二维运动步态即蜿蜒运动。对两个垂直平面上,即水平面和竖直面上基本步态进行复合,由基于启发式思想的三维步态生成方法,得到包括侧向蜿蜒等运动的水陆两栖蛇形机器人的多种陆地步态和水下步态,其中S形翻滚运动和螺旋翻滚运动为蛇形机器人的两种新型步态。通过步态试验验证了水陆两栖蛇形机器人的陆地和水下运动能力。在试验过程中,对陆地和水下步态的性能做出分析,分析结果对水陆两栖蛇形机器人在陆地和水下运动的位置和姿态控制具有重要意义。

轮式移动机器人运动学建模方法

研究轮式移动机器人运动学建模方法问题。提出用于不规则地形下的轮式移动机器人运动学建模方法——轮心建模法(Wheel-center modeling,WCM)在分析多刚体链式机构运动的速度特性以及不规则地形上轮式移动机构转动角速度特性的基础上,建立车轮轮心速度的矢量表达式,即确立WCM。以六轮摇臂转向架月球漫游车的运动学建模为例,分析各关节转动角速度矢量在车体坐标系下的投影,并根据转动矢量方向在车体坐标系中变化与否,将矢量叉乘的投影写成不同的形式,利用车轮轮心坐标系、轮地接触坐标系相对于车体中心坐标系的齐次变换矩阵中的相应元素,将车轮轮心的速度矢量表达式投影到车体中心坐标系下,建立车体运动学模型,从中阐述WCM的方法和过程,并分析WCM的特点。用试验和仿真验证该建模方法的正确性。

基于动力学与控制统一模型的蛇形机器人速度跟踪控制方法研究

对带有被动轮的蛇形机器人进行速度跟踪控制时,利用传统的动力学建模方法得到的动力学方程复杂且不利于控制器的设计.本文基于微分几何的方法将带有被动轮的蛇形机器人动力学投影到速度分布空间中,得到了动力学与控制统一模型,更有利于速度跟踪控制器的设计.考虑到蛇形机器人在进行速度跟踪时容易出现奇异位形,提出增加头部扰动速度的方法.基于头部扰动速度和统一模型,提出避免奇异位形的速度跟踪控制方法,最后通过逆向动力学得到控制力矩.文中对速度跟踪控制进行了数值仿真和实验验证.仿真和实验结果表明,提出的速度跟踪控制方法能够跟踪想要方向的速度,并且在跟踪过程中可以有效地避免奇异位形.

蛇形机器人步态产生及步态分析

以简化的Serpenoid曲线为基础,并根据蛇形机器人的3维运动由其水平和竖直两个平面的运动合成的理论,提出了一种蛇形机器人的3维步态产生方法.通过实验验证了各种步态,并在实验中得到了蛇形机器人各种步态的运动特性与相应的运动控制方程参数之间的关系.在实验中,得到了一种新步态,并将其命名为螺旋步态.对于螺旋步态,利用运动学分析对机器人的形态进行3维重现,并且根据螺旋运动的几何约束,给出了机器人的螺旋步态半径与控制参数间的定量关系.

基于能量的蛇形机器人蜿蜒运动控制方法的仿真与实验研究

能量作为最基本的物理量之一,联系着蛇形机器人蜿蜒运动的各个方面.能量耗散描述了环境交互作用,能量转换对应着运动的动力学过程,能量平衡反映了蜿蜒运动的协调性.提出一种基于能量的蛇形机器人蜿蜒运动控制方法被动蜿蜒.通过输出关节力矩控制机器人蜿蜒运动,由机器人的能量状态调整力矩的大小.仿真结果显示了被动蜿蜒控制下机器人的构形、角度、力矩、能量状态和转弯特性,并对控制力矩进行了递归分析.基于Optotrak运动测量系统构建了被动蜿蜒控制的模拟/物理混合实验系统.进行了移动实验和拖动实验,前者改变环境的摩擦特性,后者改变机器人的负载.仿真和实验验证了蛇形机器人被动蜿蜒控制的有效性和适应性.

螺旋驱动管内机器人自适应运动机理与机构设计

为了提高螺旋驱动式管内机器人在直管道和不同曲率半径弯管道中的环境适应能力,对自适应运动机理这一问题展开研究。考虑管道环境特点,在机器人运动学和力学建模的基础上,分别提出直行运动机理、转向运动机理和负载能力调节机理。调节螺旋轮倾角能够使螺旋驱动式管内机器人具有环境自适应性,并能够避免运动干涉和滚轮打滑的问题。基于自适应运动机理,提出一种基于自适应联动机构的螺旋驱动式管内机器人。自适应联动机构通过偏心臂反馈环境信息,并利用差动原理改变螺旋轮倾角。动力学仿真结果表明:该机器人能够机械自适应地通过直管和不同曲率半径的弯管,同时能够通过自适应联动机构调节负载能力。

基于螺旋轮倾角可控的管内机器人能量优化控制策略

针对现有的螺旋驱动管内机器人由于弹性臂末端螺旋轮倾角固定所导致的负载能力不可调和能耗调节能力有限的问题,提出一种螺旋轮倾角可控的螺旋驱动管内机器人。螺旋轮倾角可控使机器人在电动机性能约束下具有更大范围的环境适应性和更强的能耗优化能力。基于动力学模型和能耗模型,通过能量优化分析,提出定点作业能量最优控制策略和考虑速度约束的恒速巡检能量次优控制策略。仿真结果表明这两种控制策略能够分别根据负载外力的不同调整螺旋轮倾角及电动机角速度,使机器人运动相同距离的能耗低于螺旋轮倾角固定的机器人能耗。在三种不同负载外力的实际管道环境中,试验验证了两种控制策略能量优化的有效性。

可变结构体机器人滚动步态参数优化

可变结构体机器人是一种基于张拉整体结构设计的新型移动机器人,由刚度较大的压杆和弹性较大的拉索构成,利用自身形变产生滚动。然而由于缺乏必要的参数分析,目前其结构设计多基于经验,滚动控制往往采用固定驱动参数,未考虑材料参数与驱动参数对机器人易滚动性、能耗、结构可靠性等特性的影响;而张拉整体结构内力耦合度高,传统动力学分析参数影响极其复杂。因此,为获得低能耗、易滚动且结构可靠的可变结构体机器人,将重力矩、临界驱动长度和驱动力作为性能参数,描述可变结构体机器人的上述三项性能。通过有限元法分析方法,建立驱动参数、材料参数与三项性能参数的关系。在此基础上,提出参数优化方案,指导参数选择。通过试验验证结果的正确性。

独立操作型可重构机器人群体构形表达和重构优化

独立操作型可重构机器人的单个模块具备独立运动、操作和采样能力,顺应从结构环境中定点作业向非结构环境中自主作业的发展要求,能够更好地应用到环境复杂、危险性高的场合.现有的构形研究主要针对依赖运动型、独立运动型可重构机器人,解决独立操作型可重构机器人构形问题时具有局限性.针对可重构机器人重构目的,提出矢量构形,将构形研究内容扩展到拓扑结构、运动趋势方向和各模块的姿态方位及连接关系,提出模块状态向量和构形状态矩阵实现该类可重构机器人群体构形的表达,对应的变换运算和操作可以表达、触发模块行为运动和构形重构,提出以工作负荷为优化目标的构形组合重构优化方法、以姿态方位工作负荷和连接工作负荷的组合为优化目标的构形变换重构优化方法,通过重构优化获得模块在构形重构中状态对应变换关系,作为构形重构规划和控制的基础.

尾部带有推进器的水下蛇形机器人的高效运动模式

目前水下机器人已经在海洋开发中的探查、监控、搜救和维护等领域广泛应用。而水下蛇形机器人作为多关节、高灵活性的水下机器人,在运动效率、功能执行、环境适应、自主学习等方面相比传统水下机器人更具优势。本文针对一类尾部带有推进器的水下蛇形机器人的运动效率问题,提出了一种结合蜿蜒运动和推进器推进的高效运动模式。首先建立水下蛇形机器人动力学模型。然后通过运输经济度量法来评价蛇形机器人的运动效率,基于此评价方法采用非支配排序遗传算法(NSGA-Ⅱ)对3个蜿蜒步态参数(关节运动的幅值、关节运动的频率、关节之间的相位角偏差)和推进器推力共4个运动参数进行仿真优化。优化结果表明,在3种运动模式中:在低速段采用蜿蜒模式效率最高;在中速段,采用蜿蜒运动与推进器推进相结合的混合运动模式效率最优,该情况下不仅能够达到蜿蜒模式难以达到的速度,而且整体的运动效率高于推进器模式;在高速段,仅由推进器提供动力具有最高的运动效率和最大前向运动速度。最后,通过水池实验,验证了所提出的运动模式的有效性,该模式可以最大程度地发挥带有推进器的水下蛇形机器人的运动能力,提高机器人的运动效率,并延长其电池续航时间。

软体机器人3D打印制造技术研究综述

基于弹性、软质材料的软体机器人变形能力强、人-机-环境共融性好,在工业、医疗、家庭服务等众多领域具有良好的应用前景。软体机器人是本体、驱动、感知等高度集成的新型机电一体化智能系统。软体机器人呈现的诸多新特征给机器人领域的制造、驱动、建模、感知及控制等技术带来了全新的挑战。软质材料3D打印技术与装备的快速发展为软体机器人制造实现提供了有力支撑。首先,介绍了主流软质材料3D打印技术的基本原理与特点,包括熔融沉积成形、直接墨水书写、喷墨打印、光固化成型和选择性激光烧结3D打印技术。然后,针对软体机器人一体化制造发展需求,介绍了多材料3D打印、4D打印、嵌入式3D打印等前沿技术。最后,介绍和分析了国内外基于3D打印技术的软体驱动器和柔性传感器经典案例,结合控制-传感-驱动一体化的类生物结构软体机器人发展需求,预测了未来3D打印技术主要发展趋势与技术挑战。

VorSLAM算法中基于多规则的数据关联方法

针对单独依据马氏距离(Mahalanobis distance)的数据关联(Data association,DA)算法不能保证输出正确结果的问题,结合VorSLAM(Voronoi partition based SLAM)算法所采用的混合地图表示方法的特点,本文提出了一个基于多规则的数据关联方法.该数据关联方法依据的规则包括局部搜索规则、传感器观测特征的单向性规则、马氏距离规则和轮廓匹配规则,诸个规则在每个数据关联周期依次执行.局部搜索规则和传感器观测特征的单向性规则可以有效地降低数据关联的搜索空间,同时可避免一类潜在的数据关联错误;马氏距离利用了特征参数表示的特征位置信息寻找多个可能的数据关联假设;根据VorSLAM算法中局部地图描述了产生对应特征的局部环境轮廓信息,轮廓匹配规则从多个可能的数据关联假设中识别出正确的数据关联假设.基于多规则的数据关联方法系统可靠地解决了VorSLAM算法中的数据关联问题,方法的有效性通过两个室内环境的实验得到了验证.

基于分治法的同步定位与环境采样地图创建

在不使用几何参数描述大规模环境的前提下,提出了基于分治法的同步定位与环境采样地图创建(Simultaneous localization and sampled environment mapping,SLASEM)算法来同时进行定位与地图创建.该算法采用环境采样地图(Sampled environment map,SEM)描述环境,使算法不局限于用几何参数描述的规则环境.同时该算法实时地创建局部地图,并基于分治法合并局部地图,保证了算法的实时性.在合并两个子地图时,算法首先从环境采样地图中提取出角点,利用角点约束初步更新子地图;然后利用符号正交距离函数作为虚拟测量函数,再次细微地更新子地图;最后将两个子地图合并到一个大地图,约简冗余的环境采样粒子,以提高地图的紧凑性.两个实验的结果验证了所提算法的有效性和实时性.

基于Voronoi地图表示方法的同步定位与地图创建

针对基于混合米制地图机器人同步定位与地图创建(Simultaneous localization and mapping,SLAM)中地图划分方法不完善的问题,提出了基于Voronoi地图表示方法的同步定位与地图创建算法VorSLAM.该算法在全局坐标系下创建特征地图,并根据此特征地图使用Voronoi图唯一地划分地图空间,在每一个划分内部创建一个相对于特征的局部稠密地图.特征地图与各个局部地图最终一起连续稠密地描述了环境.Voronoi地图表示方法解决了地图划分的唯一性问题,理论证明局部地图可以完整描述该划分所对应的环境轮廓.该地图表示方法一个基本特点是特征与局部地图一一对应,每个特征都关联一个定义在该特征上的局部地图.基于该特点,提出了一个基于形状匹配的数据关联算法,用以解决传统数据关联算法出现的多重关联问题.一个公寓弧形走廊的实验验证了VorSLAM算法和基于形状匹配的数据关联方法的有效性.

基于最小无穷范数的蛇形机器人最优力矩控制

带有被动轮的蛇形机器人在跟踪头部轨迹时,力矩输入具有无穷多解,其中振幅最小的解对应着电动机额定扭矩最小的情况,即为本文所指的优化力矩.由于带有被动轮的蛇形机器人侧向不打滑时轮子的法向速度为0,每个模块可以引入一个速度约束,此时蛇形机器人是一个非完整约束系统,而振幅最小的力矩对应着具有最小无穷范数的力矩.通过建立非完整约束动力学方程,将求解振幅最小的力矩转化为在动力学方程约束下求解最小无穷范数的问题.利用最小无穷范数的数值算法求得在蛇形机器人跟踪头部速度时的关节力矩最小无穷范数解,从而利用最小无穷范数解对蛇形机器人进行力矩控制,实现力矩振幅最小的最优力矩控制.动力学数值仿真结果证明了算法的有效性.

月球车六轮摇臂转向架的优化设计

研究了月球车六轮摇臂转向架机构的优化设计问题。在分析了月球车移动机构行走及越障等任务要求的基础上,提出了摇臂转向架机构的性能评价指标,包括4个方面。针对性能评价指标,对月球车摇臂转向架机构进行了多目标优化设计。仿真实验表明采用优化设计得出的机构参数可以有效地提高月球车移动机构的行走及越障性能,为车体的机构系统设计提供理论依据。

一种全方位移动机器人

研制了一种新型全方位轮式移动机器人,该机器人主要由三个特殊的轮式结构—MY轮组成.MY轮利用球体的运动原理,将球体分为接触区和非接触区,利用两球体的接触区与非接触区的相互补充实现了万向轮的功能.两部分球体的被动旋转轴成45度交叉布置,实现了与地面的连续接触;同时该结构也增加了万向轮的强度.对轮式移动机构的运动学分析和仿真证明了该机构能够实现全方位移动.机器人的运动实验也证明了该万向轮机构不仅能够实现全方位运动,而且还能够跨越障碍物.

基于微分几何的蛇形机器人动力学与控制统一模型

蛇形机器人进行力矩控制时,其动力学系统为非线性控制系统.当蛇形机器人模块数增大时,非线性系统变得冗繁而不易于计算和控制.本文利用微分几何的方法,将欧拉—拉格朗日(EulerLagrange)动力学方程进行了扩展,得到了任意基底下的动力学方程,将蛇形机器人的动力学方程化简成标准的仿射控制系统方程,得到动力学与控制统一的模型,使得蛇形机器人的动力学方程变得简洁易于计算和控制.基于此模型,利用部分反馈线性化的方法将控制方程进行线性化,并设计了头部轨迹跟踪控制器.蛇形机器人的构型空间对应着流形空间,速度空间对应着切空间,力矩空间对应着余切空间,动能提供了流形空间上的一个黎曼(Riemann)度量,因此蛇形机器人的动力学可以用黎曼几何来描述.而带有被动轮的蛇形机器人引入了速度约束,使得速度空间不是整个切空间而是切空间的一个子集,即对应着一个分布,与分布相对应的动力学为非完整动力学.所以带有被动轮的蛇形机器人对应着带有分布的黎曼流形.而在分布上选取恰当的基底可以简化动力学计算,本文根据纤维丛的理论将这些基底空间建模为纤维丛,任意一个基底只是纤维丛上的一个截面.我们通过正交归一化和线性变换规则得到具有物理意义且可以简化动力学计算的截面,从而实现了微分几何框架下的动力学与控制统一模型.最后我们以9模块蛇形机器人为例,验证了部分反馈算法的有效性.

基于迭代学习控制的鳗鱼机器人切向速度跟踪控制

鳗鱼机器人的动力学模型非线性强、高度欠驱动,导致多关节鳗鱼机器人的切向速度跟踪控制极具挑战.本文采用P型迭代学习控制与步态生成器相结合的方法对多关节鳗鱼机器人的切向速度进行跟踪控制.首先,采用解析牛顿―欧拉法建立非惯性系下的鳗鱼机器人动力学模型,直接获得切向速度子动力学模型;然后,利用带饱和函数的P型迭代学习控制器控制步态参数,并且利用复合能量函数和切向速度子动力学模型分析该控制器的收敛性,得到切向速度跟踪误差的收敛条件;最后,提出鳗鱼机器人的运动控制框架,并对多模块的鳗鱼机器人进行仿真和实验.实验结果表明,实际的切向速度随着迭代次数的增加而逐渐跟踪上了期望的切向速度,故而验证了鳗鱼机器人切向速度跟踪控制器的有效性.