含环路布局和运动副轴线方位特征的运动链拓扑结构描述

构造一种含环路布局、构件类型、运动副类型和运动副轴线方位信息的运动链的拓扑特征矩阵。构件的类型构成特定的环路布局,运动副的类型及其轴线的方位配置决定运动的状态特征,多副构件是联系环路间的桥梁。以运动链构成的独立环路为基础构建特征矩阵的行数,运动链的构件数目构建特征矩阵的列数;以独立环路的旋向确定构件及其排序;以代表运动副类型的符号或数字表达构件及环路间的连接关系;以同一构件上两个运动副的相对轴线方位描述运动副的方位特征。构造的运动链特征矩阵为(2l+2)×n,而单环运动链为3×n矩阵。实例表明,该特征矩阵可以描述各类运动链,与传统n×n拓扑矩阵相比,结构大大简化,而且拓扑信息量多。该矩阵特别便于由特征矩阵构造对应的机构简图,同时也为计算机辅助运动学和动力学建模提供了一种便捷途径。

仿人机器人腰部机构的动力学建模、控制与仿真

本文介绍的仿人机器人具有差动腰部机构,它除了受自身的动力学影响以外,还受到手臂和车体运动以及外力、外力矩等对腰部机构关节力矩的影响。笔者利用高效牛顿-欧拉算法完成了仿人机器人的整体建模;在不考虑各关节间耦合运动的情况下,对整体动力学模型进行适当简化,得到了腰部机构的动力学模型。简化后的动力学模型既反映了机器人车体、腰部及双臂的动力学关系,又大大地减小了计算量,易于实现基于动力学的控制算法。基于动力学模型,给出了腰部机构PD伺服轨迹跟踪控制算法,并结合计算力矩方法用于补偿腰部机构两关节受到的力矩扰动。仿真分析表明,该控制方法可以明显提高腰部机构的位置跟踪精度,并提高仿人机器人的整体作业精度。

全地形轮式移动机器人运动学建模与分析

提出全地形轮式移动机器人的正逆运动学问题。将机器人看成一个混合串-并联多刚体系统,从每个轮-地接触点到机器人车体分别构成一个串联子系统,抛弃车轮纯滚动假设,在轮-地接触点处建立瞬时坐标系,考虑车轮的平面滑移,从而对每个串联子系统形成一个封闭的速度链。对于每个速度闭链,可直接在驱动轮轮心处写出从机器人各驱动轮到机器人本体之间的运动方程,将每个速度闭链的运动方程合并即可得到机器人的整体运动学模型。以一个具有被动柔顺机构的六轮全地形移动机器人为对象进行推导,该方法既考虑了地形不平的影响,又考虑了车轮的前向、侧向及转向滑移,已知机构参数后就可以直接写出机器人的速度方程,且便于运动学求解。该方法对于轮式移动机器人的运动学建模具有一般性,且具有物理意义明确、推导过程简洁等特点。

轮式移动仿人机器人的动力学建模与分析

利用高效迭代牛顿-欧拉方法对一个21自由度的轮式移动仿人机器人进行了整体动力学建模,该模型虽然维数较高,但消除了分块建模中需要对模块之间相互作用力进行建模的难点问题,并且由于机器人双臂的对称结构,当合理规划双臂运动时,动力学模型将得到部分简化。本文还对某关节运动时在各个关节所产生的力或力矩进行了仿真分析。解析及仿真结果表明,合理规划上臂各关节的协调运动,将极大地削弱车体及腰部各关节所受的力或力矩扰动,为基于动力学的机器人运动控制以及稳定性分析提供理论依据。

大型铰接并联六维测力平台摩擦建模

在已有制造工艺及标定技术基础上,为进一步改善大型铰接并联六维测力平台的测量精度,本文基于螺旋理论和影响系数原理,引入符号函数建立了Stewart结构大型铰接六维测力平台的摩擦模型。文中提出了关节摩擦对铰接并联六维测力平台测量精度的影响矩阵及I、H类误差表达式,绘制了在不同外载和关节摩擦系数条件下,六维测力平台的I、II类误差曲线,并总结丁关节摩擦和平台自重对测力平台测量精度的影响规律。为具有普通球形铰链人型Stewart平台六维测力下台精度的提高和改善提供了理论基础。

小型爬壁机器人系统设计与应用

针对一种小型的双足爬壁机器人,设计开发了基于DSP2812处理芯片的控制系统.该机器人系统采用双足真空吸盘式结构和用3个电机驱动5个关节的欠驱动结构.双足真空吸盘式结构使其可以在光滑的墙面和天棚行走,又能够在交接面之间完成跨步行走.而欠驱动结构减少了电机的数目,从而减小了机器人的尺寸和降低了机器人的质量和能量消耗,但它也给机器人的控制和运动规划带来了新的挑战.已完成的系统设计包括运动模式设计、关节控制、通信模块设计和吸盘足控制等.实验结果证明了所提出方案的可行性.

基于循环抑制CPG模型控制的蛇形机器人三维运动

具有三维运动能力和独特的节律运动方式,使生物蛇能在复杂的地形环境中生存.大多数动物节律运动是由中央模式发生器(Centralpatterngenerator,CPG)控制的.以此为理论依据,首次以循环抑制建模机理构建蛇形机器人组合关节运动控制的CPG模型.证明该模型是节律输出型CPG中微分方程维数最少的.采用单向激励方式连接该类CPG构建蛇形机器人三维运动神经网络控制体系,给出该CPG网络产生振荡输出的必要条件.应用蛇形机器人动力学模型仿真得到控制三维运动的CPG神经网络参数,利用该CPG网络的输出使“勘查者”成功实现三维运动.该结果为建立未探明的生物蛇神经网络模型提供了一种全新的方法.

模块化变形机器人非同构构形表达与计数

提出一种新型链式可重构模块机器人平台,该机器人平台具有手动可重构和自动变形的特点,介绍一种三模块变形机器人样机。组成机器人的单个模块可以简化为由模块本体、连接臂和偏置关节组成。模块的数量可以根据实际工作的需要进行选择,模块间的连接具有规则连接和非规则连接两种方式;同时,由连接模块的偏置关节的运动,模块间的相对位置可以改变。由于模块连接方式的不同和模块间相对位置的变化,变形机器人具有多种非同构构形;为此,根据模块的物理结构和邻接关系提出了用构形矩阵来表达机器人结构的拓扑信息,并在仿真环境下进行等效描述;提出基于组合计数原理的递归算法,用于多模块变形机器人的非同构构形的计数,并根据构形矩阵的拓扑信息对构形进行评价。最后根据仿真结果给出了一种三模块变形机器人样机对称构形的设计示例,验证了算法的可行性。

并联结构六维力传感器性能分析与优化设计

基于螺旋理论和空间模型理论绘制了Stewart平台型六维力传感器的性能图谱,总结了结构参数对传感器各性能指标的影响规律;在此基础上对大型Stewart平台六维力传感器的结构进行了非线性单目标、多目标优化设计,为具有普通球形铰链大型Stewart平台六维力传感器的设计和优化提供了依据。

一种3自由度并联柔索驱动柔性操作臂的建模与控制

以一种3自由度并联柔索驱动机器人为研究对象,研究这种并联柔性系统的控制规律。考虑到运动描述的唯一性及易测性,取约束关节的位置作为广义关节变量,用以描述操作臂的运动状态。在此基础上分析了操作臂的运动学和静力学关系,建立了并联柔性系统的动力学模型。然后,以轨迹控制为目标,分别基于刚性模型和柔性模型设计控制器,并对系统的性能进行分析和仿真。结果表明:基于刚性模型控制器的性能较差,而基于柔性模型的奇异摄动方法则可以获得较好的控制效果。

可重构模块化机器人模块及构形设计

对可重构模块化机器人模块的结构进行了研究,并归纳设计出7种功能模块,其中包括3种1自由度的关节模块,2种连杆模块和2种辅助模块·所有模块的功能都是独立的,并且每个模块的连接界面都设计成了圆筒形以便重组和提高其刚度·每一种模块都可设计成不同尺寸系列,这些不同类型和尺寸系列的模块便可构成一个模块库·作者对3个自由度串联机器人的构形进行了系统的研究,并应用制作的实验模块对研究结果的可行性进行了验证·

蛇形机器人行波运动的研究

对蛇形机器人的行波运动机理进行了研究,基于Serpenoid曲线建立了蛇形机器人行波运动的形状控制模型、运动学模型、机构动力学模型及环境动力学模型,给出了求解过程。仿真结果表明:在行波运动中,各关节输入力矩大小呈周期变化,且随其与蛇体重心距离的增加而减小。蛇体中心关节的最大输入力矩为蛇形机器人所需最大输入力矩。对称关节输入力矩幅值变化规律相同,但相差不同;运动初始弯角保持不变,关节输入力矩随着环境摩擦因数的增加而增加。环境摩擦因数保持不变,关节输入力矩随着初始弯角的增加而减小。

一类轮式机器人的重心控制

介绍了一类建筑领域等非结构环境下使用的由6个转动关节和4个直动关节组成的轮式机器人,其特殊的结构加上重心控制,能使机器人在不平整地面上行走而不倾倒。绘制了机器人重心控制原理,推导出使机器人不倾倒的重心控制运动方程,给出了实验用的部分软硬件原理框图,并通过实验验证了方案的可行性。

精密1号装配机器人控制系统的体系结构

介绍了精密1号装配机器人控制系统体系结构的设计与实现。精密1号机器人是国家863计划智能机器人主题立项研制的一台SCARA结构的4轴装配机器人型号样机。它采用直接驱动技术，具有较高的运动速度和定位精度，配有高性能的视觉和力觉传感器，控制系统以Intel公司的iSBC386／12系列计算机和iRMXⅢ实时多任务操作系统为基础，采用上、下两级分布式计算机结构。控制系统除具有一般的机器人控制器的功能外，还具有用户多任务编程、可基于视觉和力觉传感器信息控制、离线编程和图形动画仿真等特性。

机器人手臂弹性动力学分析的高效算法

本文提出一种用于机器人手臂弹性动力学分析的新方法,该方法采用了动力学方程缩减技术,使计算时间大为减少。在此基础上针对关节型机器人结构特点,提出了考虑手臂关节之间的弹性连接的数学模型,使计算精度得到提高,最后给出了一个实例。