关键词： 轮腿式机器人   Rolling-Wolf   运动学   步态规划   动力学   ADAMS  

摘要： 高性能移动机器人一直是国内外仿生机器人的研究热点,本文首先分别从结构设计方面、运动规划方面和反馈控制方面分析了目前智能机器人的研究情况,主要包括四足机器人及轮腿式机器人的发展现状。目前主流的几类机器人的特点如下:足式机器人地形适应能力较好,但是其机构复杂,运行速度比较低;轮式机器人运行平稳、控制比较简单,但是轮式机器人地形适应能力较差,越障能力很受限制;而轮腿式机器人则综合了两者的优点,既有轮式机器人的高速高效运行的特点,也有腿式机器人的越障能力,因此,轮腿式机器人已经逐渐成为国内外学者的研究对象。主体部分针对一种新型仿生轮腿式机器人——Rolling-Wolf进行研究,该机器人腿部机构由车身、大腿、小腿、电机、滑块及驱动轮组成。基于该样机,主要进行了如下的研究工作:①采用欧拉角和空间坐标系的齐次变换,建立了机器人的包含俯仰角和翻滚角在内的正、逆运动学模型;然后,基于机器人微分运动变换求出了机器人的速度雅克比矩阵,用于表示机器人关节运动和足端运动的关系。②基于运动学理论对Rolling-Wolf进行了基于抛物线过渡的线性插值方法的步态规划,该步态不仅满足静稳定原理,而且对机构不会产生刚性冲击。然后根据设定的初始步态参数,通过Matlab语言实现了足端轨迹曲线和样点的采集。③采用拉氏方程和虚功原理建立了Rolling-Wolf机器人的动力学模型,选取了大腿和车身夹角以及大小腿夹角作为该模型的广义坐标,同时考虑了轮子和地面之间的接触力,该动力学模型具有良好的通用性。④在ADAMS中进行了平地慢爬步态的仿真,重点介绍了ADAMS仿真参数的设置,以及通过逆运动学计算得到的滑块的驱动设置方法。仿真完毕后,对车身质心和同侧大腿滑块的运动进行了观测和分析,并验证了理论运动学模型的正确性。

关键词： Cardiopulmonary exercise testing   incomplete spinal cord injury   rehabilitation   robotics-assisted tilt-table  

摘要： Purpose: Robotics-assisted tilt-table (RTT) technology allows neurological rehabilitation therapy to be started early thus alleviating some secondary complications of prolonged bed rest. This study assessed the feasibility of a novel work-rate-guided RTT approach for cardiopulmonary training and assessment in patients with incomplete spinal cord injury (iSCI). Methods: Three representative subjects with iSCI at three distinct stages of primary rehabilitation completed an incremental exercise test (IET) and a constant load test (CLT) on a RTT augmented with integrated leg-force and position measurement and visual work rate feedback. Feasibility assessment focused on: (i) implementation, (ii) limited efficacy testing, (iii) acceptability. Results: (i) All subjects were able follow the work rate target profile by adapting their volitional leg effort. (ii) During the IETs, peak oxygen uptake above rest was 304, 467 and 1378 ml/min and peak heart rate (HR) was 46, 32 and 65 beats/min above rest (subjects A, B and C, respectively). During the CLTs, steady-state oxygen uptake increased by 42%, 38% and 162% and HR by 12%, 20% and 29%. (iii) All exercise tests were tolerated well. Conclusion: The novel work-rate guided RTT intervention is deemed feasible for cardiopulmonary training and assessment in patients with iSCI: substantial cardiopulmonary responses were observed and the approach was found to be tolerable and implementable.

关键词： 变结构自行车机器人   罗斯方程   阿佩尔方程   神经网络   遗传算法   参数辨识  

摘要： 近些年来由于Segway这一新型的代步工具的出现,加上节能减排绿色环保的提出,掀起了一股对于这种小型自平衡轮式机器人的研究热潮。其实对于两轮车的研究从很久以前就已开始。开始时学者们的主要研究目光锁定在自行车这一具有悠久历史的代步工具,从动力学分析到逐步的实现自平衡自动行走。后来Segway的提出,彻底改变了人们对于两轮车的认识,同时也产生了这两种两轮车之间的优劣对比。 本文的研究对象是一种能够在自行车形态与Segway形态之间切换的自平衡机器人。分别从两种形态的动力学建模、不同形态的控制器设计与仿真、虚拟样机的设计与参数辨识以及最后的实物样机实验平台的搭建与测试等方面展开研究。 首先对于变结构自行车机器人(简称VSBR)的自行车形态与Segway形态进行了结构分析。然后使用拉格朗日方程对VSBR的Segway形态进行了动力学建模,使用罗斯方程对45°自行车形态的VSBR进行了动力学建模,使用阿佩尔方程对90°自行车形态的VSBR动力学建模。在这些动力学模型的基础上,针对VSBR的Segway形态的动力学模型设计了基于LQR的PID控制器,针对VSBR自行车形态45°模式设计了神经鲁棒控制器,针对VSBR自行车形态90°模式设计了神经滑模控制器,并且在MATLAB上进行了仿真实验。在理论分析之后进行了虚拟样机设计并设计了基于遗传算法的参数辨识实验。最后,搭建了VSBR的测控系统,设计了接口电路与上位机接收软件,并进性了测控系统试验,并对测试结果进行了分析。

关键词： Hip Joint   Dynamic analysis   Workplace   robotics   Biomimetics   Serial Publications   CARRYING CAPACITY   Parallel robots  

摘要： In order to increase the workspace and the carrying capacity of biomimetic robotics hip joint, a novel biomimetic robotics hip joint was developed. The biomimetic robotics hip joint is mainly composed of a moving platform, frame, and 3-RRR orthogonal spherical parallel mechanism branched chains, and has the characteristics of compact structure, large bearing capacity, high positioning accuracy, and good controllability. The functions of the biomimetic robotics hip joint are introduced, such as the technical parameters, the structure and the driving mode. The biomimetic robotics hip joint model of the robot is established, the kinematics equation is described, and then the dynamics are analyzed and simulated with ADAMS software. The proposed analysis methodology can be provided a theoretical base for biomimetic robotics hip joint of the servo motor selection and structural design. The designed hip joint can be applied in serial and parallel robots or any other mechanisms.

关键词： AUV   水动力系数   系统辨识   加权最小二乘法   MOOS  

摘要： 随着海洋科技水平的提升,自主式水下机器人(Autonomous Underwater Vehicle/AUV)日益受到重视。在对AUV的研究中,其准确而适用的数学模型是对其进行精确控制、规划、预测与仿真的关键问题。由于AUV的数学模型中包含各种水动力系数,这些参数呈现强耦合非线性特征,因此如何获得准确的水动力系数成为研究的难点之一。系统辨识已经成为现代数学建模的重要手段和现代试验工程的重要技术,近年来在AUV领域也获得了较大的成果。对于某些研究对象,由于大量的先验知识与坚实的理论成果,其系统模型的基本结构已经有了普遍的标准,那么对于这类的系统,只需要对其参数进行辨识,便可获得最终的系统模型。一般地,对于特定的AUV,会开发一套融合了各种应用功能的特定的仿真与控制程序。这样开发的程序庞大复杂,不仅编写不易,要将其修改以适用于其他的AUV时又是工作繁杂,非常困难。但是这种情况在MOOS(Mission Orientated Operating Suite)上得到了改观。MOOS平台基于模块化的理念使得该类程序的开发变得非常简洁。本文针对“海灵”号AUV改进前后的变动开展了以下具体工作:(1)建立AUV模型。对比改进前后的“海灵”号AUV,对其进行建模,获得六自由度运动学、动力学方程。并在此基础上获得适用于系统辨识工作的水平面、垂直面非线性操纵运动方程。(2)辨识AUV水动力系数。利用“海灵”号海试试验的输入输出数据,采用加权最小二乘法,从水平面、垂直面的角度对改进后的“海灵”号进行水动力系数的辨识,并对主要的水动力系数进行分析。结果表明,不同的数据组长度、不同的加权因子,其结果呈现不同的特性。虽然结果曲线都有不同程度的波动,但是总体上趋于平稳。(3)建立仿真程序预报操纵性。利用辨识得到的水动力系数,完善“海灵”号的模型。在MOOS平台上对特定模块进行重开发与拼接,获得仿真程序,并对“海灵”号进行了操纵性预报。预报结果表明了“海灵”号在不同舵角下的回转特性以及不同翼角下下潜一定深度的情况。

关键词： 机器人竞赛   辅导   方法  

摘要： 中国青少年机器活动是中国科协主办的面向21世纪青少年的系列科技创新活动之一,对于培养青少年创新能力、自主实践能力和综合学习能力都具有十分重要的意义,符合了时代发展的需求,促进学生全面素质的提高.在青少年机器人教育实践的过程中,青少年机器人教育被越来越多的学校、家长、学生所重视,比赛越来越规范,所造成的影响力也越来越大.

关键词： 轨迹规划   分段式   S形速度曲线   运动学   动力学  

摘要： 机器人技术的研究对我国工业化发展具有重要意义,轨迹规划是机器人技术中的重要部分。文章首先介绍了国内外机器人产业的发展现状,说明了我国对工业机器人技术研究的迫切需求,分析了现有的笛卡尔空间轨迹规划处理过弯时的优缺点,提出分段式轨迹规划算法,用三次非均匀B样条拟合期望曲线,根据曲线曲率极值点把曲线分段,用复合柯特斯公式求出每段曲线长度,根据每段曲线长度和始末速度限制计算出S形速度曲线表达式,得出插补步长,为了保证插补精度,采用反函数求解的方式求出插补位置,根据S速度表达式和曲线上插补点处的切线方向求出插补点速度和加速度矢量。其次,以时运F3型多用途机器人为研究对象,用改进D-H法对F3型机器人建模,推算F3型机器人正逆运动学公式,选取最优逆解。计算F3型机器人雅克比矩阵,并提出CJC(Cartesian space-Joint space-Cartesian space)转化法解决笛卡尔空间轨迹规划时出现的奇异问题。通过雅克比矩阵把笛卡尔空间的位置、速度和加速度逆推到关节空间。分析F3型机器人连杆间速度与加速度传递,给出F3型机器人连杆质量与惯量矩,采用牛顿-欧拉迭代方法求取机器人运行时各关节所需力矩。采用分段式轨迹规划算法对F3型机器人进行运动学仿真,与过弯不做减速处理时各关节运行状态进行对比,仿真表明采用分段式轨迹规划算法可以有效的减小机器人末端在过弯时产生的冲击,可以抑制振动,使机器人平稳运行,最后通过运动学方程得出机器人末端沿曲线运行时各关节力矩曲线。

关键词： 机器人学   AI   美国国防部   高级研究计划局   DARPA   DRC  

摘要： 今年6月,各种灵巧敏捷的机器人将参加由美国国防部高级研究计划局(DAPPA)举办的机器人挑战赛(DRC)决赛,为竞争高达200万美元的一等奖而展开角逐。挑战赛呼唤智能机器人如果你推一下SAFFi R人型机器人,它会迅速作出反应,即通过步伐移动来保持身体平衡;通过转动头部对四周环境扫描,SAFFi R甚至可以在不平坦的地形中行走,包括接受指令完成抓拿物体等举动。SAFFi R是一款由弗吉尼亚理工大学研制

关键词： 外墙清洗   并联机器人   动力学   机电耦合系统   控制  

摘要： 目前的建筑物外墙清洗方案主要有楼顶悬吊“蜘蛛人”、爬壁清洗机器人和轨道擦窗机等方式。本文针对这些清洗方式的不足之处,引入四绳并联牵引的外墙清洗工作平台概念,建立高安全系数、低成本、小劳动强度、高工作效率的绳牵引并联机器人系统。本文在前人对该机构系统低速运行下的机构学问题所开展的研究工作的基础上,考虑绳索动力学对系统性能的影响,进行四绳牵引的并联机器人机电耦合系统的建模和运动控制。具体包括:首先,建立外墙清洗绳牵引并联工作平台的缩比模型,研究绳索在初始平衡状态下的悬链线状态,并规划适合外墙清洗的末端运动轨迹,进行逆运动学问题的求解。其次,根据缩比模型尺寸要求搭建实验样机,对驱动电机采用开环位置控制模式,进行运动学级的末端轨迹控制实验。实验结果表明绳索力学特性对末端轨迹控制精度有较大影响,不能忽略。再次,考虑绳索的力学特性,在ADAMS中建立四绳牵引的并联机器人机械系统的虚拟样机模型。仿真结果表明考虑绳索力学特性后,末端轨迹控制精度得到改善,但仍需要采用相关的控制律以提高之。最后,通过ADAMS与MATLAB/Simulink的联合控制仿真,建立四绳牵引的并联机器人机电耦合系统动力学模型。仿真结果表明,其进一步提高了末端轨迹控制精度。研究成果将为四绳牵引的并联机器人系统的半实物仿真系统的搭建,以及实际外墙清洗绳牵引工作平台产品的研发提供理论依据和仿真数据。

关键词： 机器人学   人类   外观特征   仿人机器人   产业机器人   工业机器人  

摘要： 研制与人类外观特征类似,具有人类的智能、灵活性,并能够与人交流,既可以接受人类指挥,又可以运行预先编排的程序,也可以根据以人工智能技术制定的原则纲领行动,不断适应环境的机器人,一直是人类的梦想之一。近些年来,随着机器人文化的发展及其技术广泛应用于社会的方方面面,一场社会文化的嬗变正在全球各地悄然进行。从机器人文化到现实版机器人"机器人"一词来源于捷克作家卡雷尔·恰佩克。1920年,