偏置输出的3-RRR+(S-P)仿生关节机构设计与分析

针对3-RRR+(S-P)球面并联机构安全工作空间较小,不能满足人形机器人肩关节、髋关节工作空间设计需求的问题,依据仿生设计理论,参照人体肱骨结构,提出了偏置输出的设计思想,并以3-RRR+(S-P)球面并联机构为原型,设计完成了偏置输出的3-RRR+(S-P)仿生关节机构。通过坐标变换的方法,得到新型仿生关节机构与原型机构工作空间的映射关系,进而得到新型仿生关节机构的安全工作空间。在保留原型机构运动学、力学特性的基础上,新型仿生关节机构的安全工作空间大幅增大,完全可以满足人形机器人肩关节、髋关节工作空间的设计需求。     

六足仿生机器人步态规划与控制系统设计

本文以六足仿生机器人为研究对象,设计其机械结构,并通过分析"六足纲"昆虫的运动原理,进行步态分析,完成六足机器人的硬件电路及软件程序设计,使其能够完成多种运动方式并保证其强度。     

气动柔性关节仿生六足机器人步态规划与运动性能研究

采用自主研发的气动多向弯曲柔性关节设计了一种仿生六足机器人。该机器人外形类似蜘蛛,利用腿部柔性关节在气压下的形变进行驱动。针对机器人腿部运动的特点,采用三角步态法,规划了机器人的行进和转弯步态,进行了仿真和实验。依据关节形变机理,建立了机器人运动学模型,确定了本体和足部位置关系,分析了机器人的步距、转角和整体速度,并通过实验加以验证。利用3D运动捕捉系统进行了机器人运动学实验,获得了机器人足部工作空间,分析了在不同气压、步频和负载条件下机器人的运动性能。实验结果表明,按照规划步态,通过气压控制系统协调腿部运动,机器人可实现前进、平移和转弯等功能。该机器人最大运动速度为100 mm/s,可负载能力为0.5 kg。     

行为—结构演化序参量与运算

在系统层次研究设计的一般规律,以典型机构为实例,讨论结构演变过程,用宏观序参量加以描述,并通过设计机器人动作规划实现序列序参量运算,通过机构设计实例加以验证;用协同学序参量的概念描述行为-结构映射过程,揭示行为-结构映射的内在规律,在此基础上,进一步提出用设计机器人(D-Robot)执行序参量运算实现自动设计和分析,以实现往复运动行为的机构设计为例验证了方法的有效性。提出D-Robot通用模版,并以此为框架编制凸轮机构设计和分析D-Robot动作规划,实现了凸轮机构设计和分析自动设计。输入条件是从动件尖端运动轨迹,输出包括凸轮理论和实际廓线、速度和加速度运动分析、凸轮力分析、动平衡、速度波动及飞轮设计、运动模拟及设计分析报告。     

单自由度平面六杆手指机构解域综合方法

为适应机器人手指多用途、多尺寸的设计要求,提出一种基于单自由度平面六杆机构解域的手指机构设计综合方法。根据平面六杆机构4个给定的运动位置可得到无穷多机构解,将这些机构解表示在一个平面域上,该域称为解域。本文给定平面六杆机构的4个运动位置,限制待求铰链点的坐标范围,通过给出的铰链点曲线求解方法,得到铰链点解曲线和可行段,对可行段进行分段,得到解域,在此基础上,引入力传递性能指标K,限定其范围,对解域进行进一步的筛选,得到新的可行解域,并得到K在解域上的分布规律,最终可在新解域中选择满足全部条件的机构作为机构解。K值的引入使得所得的机构具有较好的力学性能。解域上的每一点均为满足要求的平面六杆机构,可根据设计的目的(如仿生手指、康复手指等)选择不同的机构进行手指的设计。从新可行解域中选择一个机构设计手指样机,该样机证明了所提出方法的正确性和有效性。     

一种可连续化进行的胃肠仿生消化装置的设计

胃肠仿生消化是研究食品营养学及药物代谢动力的重要方法。为实现胃肠仿生连续消化,对胃肠仿生消化装置进行了设计,本胃肠仿生模拟消化装置包括胃肠仿生消化桶及仿生模拟消化控制系统,设置了结构相同的中间腔体的胃仿生消化桶和肠仿生消化桶,外围设置有加热仓,消化桶上均设置有搅拌机构、玻璃观察窗、取样装置、酸液存储槽及碱液存储槽、pH传感器、加热管及温度传感器,二号消化桶右侧固定有控制系统单元的配电箱。装置便于实现胃肠仿生模拟消化过程pH值、温度和搅拌速度的控制与调整,以及消化液的取样分析及消化过程的观察监测,可用于食品营养基质或生物活性物质的仿生消化情况的监测。     

免耕播种机动态仿生破茬装置设计与参数试验优化

针对中国东北地区玉米秸秆粗壮量大、不易腐烂,造成免耕播种机破茬防堵装置秸秆根茬切断率低和作业所需切割扭矩大的技术难题,以蝗虫口器多段阶梯锯齿状结构和双上颚异向等速咬合运动方式为仿生原型,设计一种可在东北地区实现高效破茬防堵作业的动态仿生破茬装置。通过仿生构建、机构设计、理论分析和参数优化等方法设计了行星齿轮变速机构和仿生破茬刀;运用Arduino系统和智能控制方法设计了智能驱动系统,实现了运动方式-结构耦合仿生;通过参数优化试验和回归分析等方法,研究了结构和作业参数对秸秆切断率和切割扭矩的影响规律,并得出最佳参数组合:作业速度为10 km/h,回转半径为250 mm,正转破茬刀仿蝗虫口器刀片数量为9,反转破茬刀仿蝗虫口器刀片数量为18;最终通过对比试验得出动态仿生破茬装置相较于被动缺口圆盘破茬刀可提高秸秆根茬切断率22.6%~27.4%;相较于驱动缺口圆盘破茬刀可提高秸秆根茬切断率8.6%~13.5%,降低扭矩输出19.5%~21.8%;作业后使用共聚焦激光扫描仪进行耐摩擦磨损对比试验,其平均表面粗糙度和最大磨痕深度相较于驱动缺口圆盘破茬刀分别下降14.5%和15.9%。     

面向单臂弯举的气动肌肉上肢外骨骼系统设计与实验

针对人体手臂负载弯举过程中易产生肩袖损伤的问题,设计了一种气动肌肉上肢外骨骼机器人.其本体结构由一个肘关节外骨骼机器人和气动式外展肩枕构成,并通过双层护肩结构固定于穿戴者上肢.该设计结合了刚性外骨骼机器人结构的力传递优势和柔性仿生式织物结构的柔顺性优势,在负载弯举过程中对穿戴者的肘关节和肩关节提供必要的助力,同时提高了...     

一种可重构轮式机器人的对接机构设计

为了让机器人具有良好的环境适应性,本研究设计了一种可重构的轮式机器人系统,系统中的每个单元模块都可以作为独立个体进行作业或与其他单元模块重构连接进行协同工作;单个模块主要由对接箱体、三轮全向轮底盘等组成,模块间通过对接箱体侧面设计的对接机构组合连接;使用SolidWorks和ADAMS对单模块机器人进行三维建模以及对接机构的运动仿真。仿真结果表明,电推杆的位移量约为7.7 mm,小于所选择的电推杆的最大位移量10 mm,验证了对接机构设计的合理性,为进一步实现多模块机器人的自重构打下基础。     

6R拇指关节康复机器人工作空间仿真与分析

本文以剖析人手解剖学为理论依据,设计了一种新型6R串联拇指关节康复机器人机构。该机构按照正常人体拇指的基本尺寸范围,对拇指康复机构进行了数学建模。然后通过Matlab软件中的机器人工具箱模块——Robotics Toolbox建立仿真模型并验证参数正确性,最后运用蒙特卡洛法快速求出其工作空间。从而能够为拇指康复机器人机构的运动性能分析和轨迹规划等提供理论依据。     

基于目标导向采样的机器人改进概率路图法研究

鉴于采样的完全随机性，传统PRM算法往往较难适用于具有狭窄通道工作环境下的机器人路径规划。为此，本文提出了一种融合全局目标导向采样、局部节点增强的改进概率路图法(Improved PRM),并将其应用于平面栅格地图场景及六自由度机器人的路径规划。首先将全局目标导向采样与随机采样有机结合，通过混合采样的方式来提高全局采样点落在狭窄通道内的概率，实现启发式地图增强；其次，经由节点权重思想对位于狭窄通道中的节点进行提取，并利用基于高斯分布的局部节点增强策略在狭窄通道中扩展新节点，增强地图连通性，以提高路径规划的成功率；最后，采用冗余节点剔除策略对算法规划的初始路径进行优化。Improved PRM算法在平面栅格地图中的仿真结果表明，该算法对于机器人路径规划的成功率可达89.3%以上，且综合评价指数及路径质量评价指数均高于其他算法；在六自由度机器人的仿真实验中，Improved PRM算法得到的平均路径代价比传统PRM算法降低约42.7%,成功通过狭窄通道概率也比传统PRM提高68个百分点。因此，相比文中所提其他算法，在具有狭窄通道的工作环境中，改进概率路图法在提高路径规划成功率、减少路径节点...     

基于改进双向RRT*的果园机器人运动规划算法

为提高果园机器人在果园中作业的自主性、安全性和效率,需要进行有效合理的运动规划。针对传统RRT*(Rapidly exploring random tree star)全局路径规划算法在连续走廊式环境下存在搜索效率低、采样点利用率低、生成路径折线多转角大等问题,以阿克曼底盘果园喷雾机器人为运动模型,提出一种改进双向RRT*的果园喷雾机器人运动规划算法。首先,根据激光雷达建立果园二维平面地图,将果树和障碍物均视为障碍物区域,并结合喷雾机器人本体尺寸,对障碍物进行膨胀化处理;然后,通过改进双向RRT*算法搜索路径,搜索路径过程中结合动态末梢节点导向和势场导向进行偏置采样,并对初步生成的路径进行路径点去冗余以及相邻折线段转角约束处理;最后,采用三阶准均匀B样条曲线对处理后的路径点进行轨迹优化,在优化过程中主要考虑轨迹的碰撞检测和喷雾机器人底盘曲率约束。试验结果表明,相较于传统双向RRT*算法,本文所提出的改进算法规划时间平均减少57.5%,采样点利用率平均提高28.55个百分点,最终路径长度平均缩短7.14%;经三阶准均匀B样条曲线优化后所得轨迹在有、无障碍物两种环境下均满足喷雾机器人最大曲率约束,且仅在换行以及障碍物处存在转弯行为,符合喷雾机器人作业轨迹条件,提高了喷雾机器人的工作效率和自主性。     

基于改进RRT算法的猕猴桃采摘机器人全局路径规划

为提高猕猴桃采摘机器人导航效率,提出一种基于采样状态实时引导随机树扩展的改进方法(Straight-RRT)。首先,针对传统RRT算法盲目搜索的问题,引入评价指数与阈值划分采样状态,根据采样状态决定采样节点的选取方式,实时引导随机树的扩展。其次,为增强算法对不同环境的自适应性及快速避开不规则障碍物,引入动态阈值并优化最近节点选择机制。最后对路径进行优化处理,去除路径冗余点并采用贝塞尔曲线平滑路径减小路径复杂度。基于棚架式猕猴桃果园环境进行路径规划实验,实验结果表明改进后算法在猕猴桃果园环境中具有更好的适应性及规划效率,为提高猕猴桃采摘机器人导航效率提供了解决方法。     

水果收获机器人避障路径规划

在综合分析路径规划研究的基础上，采用基于概率地图的路径规划方法，运用启发式搜索算法对水果收获机器人机械臂运动路径进行实时规划。在搜索过程中，以位姿点密度作为权重使路径向自由空间扩散，避免过度采样。为提高路径规划速度，采用延迟碰撞检测策略，可有效降低计算量。采用有向包围盒进行碰撞检测。最后利用虚拟现实技术，对水果收获时要绕过的支架和狭窄区域进行三维计算机模拟。结果显示，路径规划时间均小于0．15s，达到实时要求。     

基于改进RRT算法的猕猴桃采摘机器人全局路径规划

为提高猕猴桃采摘机器人导航效率,提出一种基于采样状态实时引导随机树扩展的改进方法（Straight-RRT）。首先,针对传统RRT算法盲目搜索的问题,引入评价指数与阈值划分采样状态,根据采样状态决定采样节点的选取方式,实时引导随机树的扩展。其次,为增强算法对不同环境的自适应性及快速避开不规则障碍物,引入动态阈值并优化最近节点选择机制。最后对路径进行优化处理,去除路径冗余点并采用贝塞尔曲线平滑路径减小路径复杂度。基于棚架式猕猴桃果园环境进行路径规划实验,实验结果表明改进后算法在猕猴桃果园环境中具有更好的适应性及规划效率,为提高猕猴桃采摘机器人导航效率提供了解决方法。     

3-RHUR/PUS+PP混联机器人构型与性能分析

为提升串并混联机器人大行程刚度与综合性能,提出一种带随动滑筒的3-RHUR/PUS三自由度并联头串联XY双导轨的混联五自由度机器人构型。根据非线性约束方程组给出其位置正反解,并基于螺旋理论建立了串并混联的正逆运动学映射关系,基于建立的混联机器人的柔度模型讨论了其方向刚度;综合考虑机器人的转动能力、力传递性能、速度和刚度性能,在利用线性加权法对机器人进行多目标优化的基础上,提出最优拉丁超立方采样（Optimal Latin hypercube sampling, OptLHS）与插值相结合的优化算法,从而缩短了优化计算所需时间,得到了机器人最优尺寸参数。     

防风固沙草方格铺设机器人通过性研究

在沙漠沙土物理性能试验的基础上，对轮胎与沙土相互作用力进行计算，得到沙漠牵引车在行驶过程中产生的驱动力，进行了纵向铺草机构滚轮压草阻力试验，依据汽车地面力学理论对草方格铺设机器人的通过性进行了研究，结果表明所设计的机器人在沙漠中具有良好的通过性。     

香蕉园机器人导航的激光与超声波组合测距方法研究

在长有小灌木等干扰物和机耕道崎岖不平的复杂香蕉园环境中，机器人定位导航方法有时效果不佳、甚至失效，准确测量机器人与香蕉树的最短距离是实现定位与导航的前提和关键，为此提出一种基于拟合滤波的激光和超声波香蕉树测距方法。首先，在各采样时刻由激光和超声波传感器分别测得机器人到香蕉树的距离数据，并相互校验，生成待测香蕉树的一组距离数据；选择二次多项式以最小二乘法对该组距离数据进行拟合，基于拟合的二次多项式和设定阈值对该组距离数据进行滤波，去除其中偏差较大的距离；最后，对滤波后的距离数据中3个最小值求平均值，以此作为机器人到待测香蕉树的最短距离。实验表明，该测距方法在理想环境下对香蕉树的最大测距误差率为1.0%，在有小灌木等干扰物或者道路崎岖不平的环境以及室外自然场景下最大测距误差率为2.0%，相应的最大测距误差为1.0cm，且测距稳定性良好。     

基于MSP430F149智能监控的苹果采摘机器人设计

目前,农村劳动力的匮乏,农业机器人代替工人作业已经成为一大趋势。绝大部分采摘机器人都是以专业的工业PC机为智能控制平台,所占空间大、功耗高且价格十分高昂,使得智能机器人成本太高,推广的阻力很大。为此,以MSP430F149为核心处理器,结合机器视觉理论技术,设计了一套智能监控的采摘机器人控制系统,可以实时处理采集到的图像,指导采摘机器人前进及采摘目标果实。为了实现人机交互工作,设计了LCD显示电路,可以通过其实时了解采摘机器人的工作状态,且极大地降低了制造成本。实验结果表明:该采摘机器人视觉系统识别错误率低至3.72%,提高了采摘机器人的可靠性和采摘效率,具有很好的应用前景。     

基于LabVIEW的腕力传感器静态标定系统研究

设计了由加载试验台、数据采集系统、标定系统软件系统、图表和数据输出系统等部分组成的机器人腕力传感器静态性能分析系统。在加载试验台上可对6维传感器的各维分别进行加载;数据采集系统对腕力传感器输出的模拟信号进行采样并将采样数据保存到数据文件中;软件系统由主程序、数据采集程序、数据处理和性能分析程序组成,主程序按顺序调用各程序模块并传输数据;数据采集程序是控制采集系统硬件对传感器输出的信号进行采集;数据处理和性能分析程序可对数据进行预处理、干扰矩阵计算,线性拟合和过零点所要平移的数值、灵敏度等的计算。