船舶等海洋工程装备其舱内具有设备众多、空间受限和结构复杂等特点,传统人工巡检不能解决安全和效率的问题。针对这些问题,结合仿生技术,采用负压吸附和电磁吸附两种吸附方式,设计一种船舱检测的多模式攀爬机器人,该机器人能够在狭小空间运动,并且能够适应不同材质的壁面。基于改进的D-H参数法建立机器人运动学模型,进行运动学正解、逆解的计算;分析机器人运动步态,对比传统的步态控制方法,提出基于Hopf振荡器的机器人步态规划策略;搭建样机控制平台,进行步态控制对比测试。实验结果验证了多模式船舱检测机器人的步态规划的稳定性,为船舶等海工装备新形态检测机器人的研究拓展了新的思路。

为了帮助脊椎损伤患者能在不同场合中下楼梯活动,提出了一种惯性测量单元(IMU)的适用于外骨骼下楼梯的步态规划算法去检验佩戴者的运动轨迹,同时使用深度相机作为视觉传感器实时检测楼梯环境。此种算法按照视觉传感器反馈的楼梯高度与宽度、穿戴者的下肢尺寸等数据对关节位置进行最优轨迹的规划,之后关节的角度轨迹利用逆运动学进行计算分析。最后通过多名实验者穿戴下肢外骨骼机器人在两种不同尺寸的楼梯上进行模拟实验,机器人根据不同环境规划出不同的步态轨迹去帮助穿戴者完成下楼梯的实验,且实际楼梯尺寸与深度相机检测的尺寸误差在2%以内。实验结果表明,运用此种算法的下肢外骨骼机器人可以为不同的人规划出适应不同尺寸楼梯的步态轨迹,从而验证了此种算法的有效性。

首先对钩爪式四足爬壁机器人脚爪在各运动阶段的运动合理性与可行性进行分析,完成了机器人的步态规划;然后根据步态规划方案,选择中央控制器与电机等硬件,完成了机器人控制系统的设计,同时完成了机器人样机的制作;最后对所设计的爬壁机器人的爬升性能进行实验测试,结果表明,机器人能够在粗糙壁面上自主稳定地爬行,验证了机器人控制系统设计的合理性。

本文设计了一种六足气动机器人,由本体、六条相同的腿部、足部等连接件组成。六条腿部对称呈对称分布与本体两侧。腿部具有柔性关节。通过控制向腿部气橡囊中通入气体的压力及方向的不同,可实现机器人腿部轴向伸缩和弯曲变形。并通过步态规划实现了机器人的前后移动,为气动柔性机器人的研究提供一定的理论基础。

为帮助下肢瘫痪人群恢复行走功能,设计出一款下肢外骨骼机器人。依据人体运动机制对各个关节的自由度进行了设计,确定了主动关节和被动关节类型并选用合适的驱动方式,详细介绍了主要部位的结构设计。论述了机器人的工作机制以及工作方式。建立下肢外骨骼机器人的连杆模型,规划出关节运动轨迹并求解出各个关节旋转运动曲线。利用ADAMS仿真软件将所规划的步态曲线进行仿真分析,仿真结果表明:各个关节运动曲线柔顺平滑,无明显冲击。在一个周期内,与理论计算值相比,各个关节的角度仿真值误差均小于±1.5°,在合理误差范围之内。利用COG理论验证步态轨迹的动态稳定性,证明了所规划的步态曲线的合理性。

随着机器人工作范围越来越广泛,运行环境情况也更加复杂,为了解决传统刚性连杆多足机器人对环境适应性不足,设计一种采用柔性材料、基于Arduino平台控制的气动仿生四足机器人。机器人本体采用16根气动人工肌肉进行驱动,单腿配置采用菱形布局的4根气动人工肌肉,模拟生物肌肉驱动通过气动人工肌肉组对以充放气实现的拉伸力摆动四足。通过Arduino编程协调16个开关量的先后顺序改变三位五通电磁阀的工作位来控制四条腿的摆动顺序,从而对机器人进行步态规划,并通过相关实验实现了多种步态动作模式。

对四足机器人进行运动学建模和分析,推导运动学的正解和逆解;然后基于五次多项式对机器人足端轨迹进行了步态规划,计算了四足机器人对角步态和三角步态的驱动函数。在仿真软件ADAMS中对三角步态和对角步态进行仿真。最后制作了样机,并对样机进行了测试。通过研究三角步态和对角步态的仿真结果和样机测试结果,验证了理论推导计算的正确性。

针对现有假肢产品体积庞大、步态质量不佳的问题,将四连杆机构与磁流变阻尼器结合,设计了一种磁流变阻尼假肢膝关节,并基于磁流变阻尼假肢膝关节建立了下肢假肢虚拟样机模型。采用一组具有相位耦合关系的中枢模式发生器对下肢假肢进行了步态规划,得出了各关节的角度曲线。为验证所得关节角度曲线的合理性,利用SolidWorks Motion对下肢假肢进行了运动仿真,仿真结果表明:在关节角度曲线的驱动下,下肢假肢的步态特征具有良好的仿生性。

分析六足机器人的侧倾、俯仰、偏航变化情况,验证步态规划的正确性。对设计的六足机器人进行运动学分析,计算机器人运动学的正解和逆解,分析六足机器人运动的时序图,利用五次多项式对机器人足端轨迹进行步态规划。在ADAMS中对机器人进行了运动仿真,得到了运动过程中的RPY角。最后制作了六足机器人样机,测试运行过程中的RPY角。仿真和样机测试结果表明:机器人在步态运动过程中,RPY角度在前进方向上误差最大不超过1°,验证了运动学计算和步态规划

仿人机器人是机器人研究领域的热点问题。文中在利用Pro/E三维建模软件对仿人机器人进行了结构设计之后,又用ADAMS仿真分析软件对仿人机器人进行了步态仿真分析。在ADAMS环境下对针对仿人机器人进行了合理的步态规划,并且在仿人机器人平稳快速行走过程中对上肢的质心位置移动做了定量分析。最后针对仿真分析结果对仿人机器人步态进行了优化设计。