驼足运动特性试验研究

研究了骆驼在平坦沙地行走时驼足的运动特性。所得结果有利于揭示骆驼沙地高行走性能的优异本领,对于步行车辆步行足运动方式及腿足运动协调的合理设计具有指导意义。     

骆驼坡道运动特性试验分析

利用高速摄影系统和图像处理仪测试和分析了骆驼的的坡道运动特性。研究了骆驼坡道行走的运动步法、足印分布,以及骆驼运动参数随速度、坡度的变化规律。分析了骆驼坡道行走时腿、驼颈、驼体运动特性对提高坡道行驶能力的作用。所得结果对于促进步行车辆发展,尤其是步行车辆坡道行驶能力的提高具有现实意义。     

步行船式车辆行走稳定性的比较研究

为研究适用于沿海松软滩涂牧草地面上作业机器的行走机构,达到既不缠草又能利用草根推进的目的,提出了步行船式车辆行走机构。该文对六腿两相位、八腿两相位和十二腿四相位步行船式车辆的质心高度的跳动、前进速度的波动、行走方向的摆动以及步行船式车辆左右摇动进行比较分析,讨论了步行船式车辆的结构及土壤条件对步行船式车辆行走性能的影响及其改善途径。     

仿驼步行足的研究

生活在沙漠地区的骆驼,不仅对沙漠环境具有很强的适应性,而且具有很好的通过沙地能力。本文通过对驼足结构、运动方式及对沙地作用等的分析,根据仿生原理,提出了仿驼步行的设计原理与方法,研制了仿驼足机构,并对其进行了试验。结果表明,此足性能良好,为开发步行车辆提供了依据。     

步行轮机构原理

介绍一种用于软地面车辆的新型行走机构——步行轮的基本原理,所阐述的步行轮机构的运动学和动力学特点及理论分析结果,可为其开发应用和合理设计提供最基础的理论依据。     

基于双6-UPU并联机构的步行机器人步行越障步态仿真与试验

为拓展六足机器人的应用,提高六足机器人对工作环境的适应性及工作的灵活性,该文提出了一种基于并联腿的六足步行机器人结构。该步行机器人由2个6-UPU并联机构腿和6个足构成,每个足上各安装1个辅助腿,共有18个自由度,辅助腿可根据环境改变步行机器人身体的高度,增强了克服障碍物与环境的适应能力。首先,对该机构进行运动学分析,通过腿部6-UPU并联机构的运动学逆解求解,得到机器人运动过程中并联腿各分支的状态;其次,通过对人体行走规律的研究,根据运动学逆解的结果,设计了步行机器人的2种步态,分别为跨步行走步态和越障步态;之后,根据样机材质,在ADMAS环境下对六足机器人的模型组件增加质量,进行2种步态的行走仿真,跨步行走步态一个步态周期耗时23.734 2 s,步行机器人机体前进400 mm,平均行走速度为1 011.2 mm/min,而越障步态一个步态周期耗时18 s,步行机器人机体前进100 mm,平均行走速度为333.3 mm/min;最后,选用两片STM32芯片为核心处理器进行控制系统设计,两片STM32芯片分别进行数据采集与PID运算,二者间采用串口通信实现数据传输,跨步行走步态一个步态周期耗时24.85 s,步行机器人机体前进385 mm,平均行走速度为929.6 mm/min,而越障步态一个步态周期耗时20.8 s,步行机器人机体前进90 mm,平均行走速度为259.6 mm/min。试验表明：跨步行走步态下,完成一个步态周期内的耗时与平均行走速度的偏差分别为5%、8%,而在越障步态下,完成一个步态周期内的耗时与平均行走速度的偏差分别为13%、22%,绘制了2个平行腿移动平台中心点的规划轨迹和试验轨迹,试验轨迹在步行阶段,试验结果滞后于2种步态的模拟结果。其偏差可归结为试验样机中各电动缸自身特性、装配精度、部件的质量差异等因素的影响,但样机能够按照设定的步态完整设定的行走任务,从而验证了仿真分析的正确性。该研究为进一步研究六足并联腿步行机器人实现未知倾斜面或环境中的稳定行走提供了初步的实践依据。     

基于双6-UPU并联机构的步行机器人步行越障步态仿真与试验（英文）

为拓展六足机器人的应用,提高六足机器人对工作环境的适应性及工作的灵活性,该文提出了一种基于并联腿的六足步行机器人结构。该步行机器人由2个6-UPU并联机构腿和6个足构成,每个足上各安装1个辅助腿,共有18个自由度,辅助腿可根据环境改变步行机器人身体的高度,增强了克服障碍物与环境的适应能力。首先,对该机构进行运动学分析,通过腿部6-UPU并联机构的运动学逆解求解,得到机器人运动过程中并联腿各分支的状态;其次,通过对人体行走规律的研究,根据运动学逆解的结果,设计了步行机器人的2种步态,分别为跨步行走步态和越障步态;之后,根据样机材质,在ADMAS环境下对六足机器人的模型组件增加质量,进行2种步态的行走仿真,跨步行走步态一个步态周期耗时23.734 2 s,步行机器人机体前进400 mm,平均行走速度为1 011.2 mm/min,而越障步态一个步态周期耗时18 s,步行机器人机体前进100 mm,平均行走速度为333.3 mm/min;最后,选用两片STM32芯片为核心处理器进行控制系统设计,两片STM32芯片分别进行数据采集与PID运算,二者间采用串口通信实现数据传输,跨步行走步态一个步态周期耗时24.85 s,步行机器人机体前进385 mm,平均行走速度为929.6 mm/min,而越障步态一个步态周期耗时20.8 s,步行机器人机体前进90 mm,平均行走速度为259.6 mm/min。试验表明:跨步行走步态下,完成一个步态周期内的耗时与平均行走速度的偏差分别为5%、8%,而在越障步态下,完成一个步态周期内的耗时与平均行走速度的偏差分别为13%、22%,绘制了2个平行腿移动平台中心点的规划轨迹和试验轨迹,试验轨迹在步行阶段,试验结果滞后于2种步态的模拟结果。其偏差可归结为试验样机中各电动缸自身特性、装配精度、部件的质量差异等因素的影响,但样机能够按照设定的步态完整设定的行走任务,从而验证了仿真分析的正确性。该研究为进一步研究六足并联腿步行机器人实现未知倾斜面或环境中的稳定行走提供了初步的实践依据。     

仿螃蟹步行机构及其通过性试验

仿生步行机构的研究对于复杂地形的行走机构开发具有十分重要的意义。为了设计出性能优越、结构简单的仿生步行机构,通过分析中华绒螯蟹的行走步态,提出了仿螃蟹步行机构的设计方案。由于螃蟹尾端的两只步足较少参与行走,为简化设计,将步行机构设计成6足式,腿部运动由六连杆机构实现。利用三维建模软件CATIA建立了步行机构整体模型,并在ADAMS中完成了运动学分析,得到步行机构足端运动轨迹,结果表明该步行机构能够完成预期的动作。根据设计加工出样机,在非常规地面上与轮式模型车进行通过性对比试验,结果表明仿螃蟹步行机构在农业生产所涉及的松软地面上具有较高的通过性能,在崎岖硬地面上波动比轮式模型车降低5%~75%。该步行机构还可作为试验平台,通过对其腿部杆件尺寸和足端触地方式的优化,为开展提高步行机构在不同地面通过性提供基础研究设备条件。     

步行轮式气垫车设计与研制

步行轮式气垫车是为解决特殊软地面通过性而研制的一种新型运输工具。本文阐述了步行轮式气垫车与常规车辆设计的不同之处，总结了研制过程的主要技术问题。     

步行轮轮脚与土壤相互作用动力学

对步行轮轮脚与土壤相互作用的动力学进行了理论分析,运用土力学中的被动土压力理论推导了描述步行驱动力、滚动阻力、支承力和行走效率的数学模型;从而为优化步行轮主要参数和预测步行轮的牵引附着性能提供了理论依据。     

并联驱动机械腿运动学静力学性能评价及几何参数设计

为了拓展农业机器人的作业场合,该文对一种三自由度六足腿式机器人并联驱动机械腿机构进行了运动学静力学性能评价及几何参数优选。首先,求解了足端线速度和角速度之间的耦合关联矩阵,定义了该腿部机构的运动学性能评价指标,绘制了该指标的分布图。其次,建立了腿部机构驱动静力学模型,分别利用机械腿在重力方向的最大承载力和驱动关节的最大扭矩定义了该腿部机构在软、硬地面下的驱动静力学性能评价指标。基于线性空间理论求解了驱动机构的约束雅克比矩阵,定义了约束静力学性能评价指标,通过绘制驱动与约束静力学性能评价指标分布图揭示了该腿部机构静力学性能在工作空间内的变化规律。再次,结合各项运动学和静力学性能评价指标,利用搜索法对该腿部机构几何参数进行了多目标优选,并给出了一组较好的几何参数。优选结果表明:平行四边形铰链长连杆及连接连杆的几何参数分别为330 mm和140 mm,地面接触连杆几何参数为320 mm时,腿部机构的综合性能得到改善,具体表现为运动性能提升了5.46%,重力方向最大承载力提升了18.02%,驱动关节的最大扭矩减小了6.33%。该研究结果可为该六足机器人步态规划及控制和应用提供参考。     

变自由度轮足复合机器人轨迹规划验证及步态研究

为了适应现代化农业对机器人的新要求,该文基于仿生学原理,提出一种可变自由度、轮足复合式、串并混联机构作为四足机器人的腿部机构。该文首先对机器人的整机和腿部机构进行了构形设计,并进行了位置分析;然后,根据农业上的一般地形和障碍物地形,规划了机器人足端普通轨迹及越障轨迹,并利用软件进行了轨迹仿真;其次,根据机器人静态及动态稳定性判据,在保证稳定性的前提下,完成了机器人对角小跑步态规划,并进行了仿真研究;最后,对机器人单腿样机进行了足端轨迹规划验证试验。试验结果表明:该单腿样机可以按给定的轨迹运动,证明该机器人机构设计是可行的,足端运动轨迹规划是正确的。但实际轨迹和理论计算轨迹存在误差,y轴方向最大误差2.5mm,z轴方向最大误差5.3 mm,误差均小于10 mm,在允许范围内,该机器人能够满足农业现代化的使用需求。     

液压驱动仿生多足机器人单腿设计与试验

为研究液压驱动多足机器人动态步态下足端与地面高速接触对机器人系统的影响及实现稳定控制,该文设计了液压驱动多足机器人单腿并进行了动态跳跃试验。根据生物学家对大型犬后腿结构仿生和运动仿生的研究成果设计多足机器人单腿机械结构参数和执行器参数:确定大小腿长度为0.35 m、髋关节角度范围为[-50°,70°],膝关节角度范围为[-140°,-20°];液压缸活塞直径为0.02 m、活塞杆直径为0.01 m,活塞杆行程为0.1 m。根据单腿竖直跳跃动态仿真试验,确定了在液压系统压力16 MPa下系统平均流量为5.6×10-5 m3/s,最后完成了机器人单腿样机机械加工并进行了动态跳跃试验,验证了机器人单腿机械结构和液压缸参数设计的合理性。该研究可为液压驱动仿生多足机器人单腿设计提供参考。     

沙漠用仿驼蹄橡胶轮胎的设计与试验研究

研制沙漠轮胎是开发沙漠车辆的关键技术之一。根据仿生学原理,建立仿驼蹄轮胎原理模型并首次研制了仿驼蹄轮胎橡胶模型。进行仿驼蹄橡胶轮胎的参数设计,并在室内沙槽模拟台对仿驼蹄轮胎橡胶模型进行了试验研究。研究结果表明,仿驼蹄轮胎橡胶模型具有较高的沙地通过性。     

骆驼越沙机理初步分析

本文分析了驼体和驼足对沙地的适应性,借助微细动作分析仪,进行了骆驼沙地运动动作剖析及驼足与沙相互作用研究,初步揭示了骆驼高越沙功能的机理。     

轮腿混合四足机器人六自由度并联机械腿设计

为了设计一种可以同时实现迈步行走、有动力轮式机动、无动力轮旱冰式滑行3种运动方式的轮腿混合农业四足机器人,提出了一种基于3-UPS机构的六自由度并联机械腿,选取结构参数并给出设计方案。首先,通过矢量回路法推导出机构的位置反解方程,并建立机构的速度映射模型;采用搜索法对机构的工作空间进行分析,并绘制出工作空间三维分布图,揭示出机构结构参数和工作空间之间的关系;基于速度映射模型绘制出雅可比矩阵条件数在工作空间内的三维分布图。接着,定义了一组运动灵活性评价指标,对机械腿的机构进行运动灵活性分析,并绘制出结构参数与运动灵活性评价指标关系曲线,揭示出结构参数对机构运动灵活性的影响规律。然后,基于工作空间特性和运动灵活性评价指标,采用蒙特卡罗法进行结构参数设计,通过建立各结构参数的概率模型空间选取了一组综合性能较好的结构参数:机械腿固定平台万向副分布直角边长为230 mm,运动平台球面副分布直角边长为70 mm,支链最大直径为60 mm,各支链套筒和伸缩杆长度均为500 mm。最后,采用选取的结构参数设计出机械腿及轮腿混合四足机器人整体的虚拟样机,并对虚拟样机进行迈步运动仿真,结果表明:机械腿的各驱动参数变化非常平稳且峰值均在合理范围之内,证明机械腿的设计方案和结构参数较为合理。该研究为拓展轮腿混合四足机器人在农业工程领域的应用提供了参考。