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液压驱动缩放支链的并联式滚动机器人

机械工程学报 2015年第19期51卷 28-39页

作者：沈海阔丁万仝龙飞黄齐来姚燕安北京交通大学机械与电子控制工程学院北京100044

提出一种新型三自由度并联式滚动机器人。该机器人以大变形、强力输出、快速响应和运动灵活为目标,构型上采用提出的新型并联机构为本体以保证机构整体刚度,设计上应用平面缩放支链作为伸缩比放大机构以获得大变形能力,驱动上利用液压... 详细信息

提出一种新型三自由度并联式滚动机器人。该机器人以大变形、强力输出、快速响应和运动灵活为目标,构型上采用提出的新型并联机构为本体以保证机构整体刚度,设计上应用平面缩放支链作为伸缩比放大机构以获得大变形能力,驱动上利用液压执行元件作为伸缩驱动输入以增强滚动机器人运动的灵活性与力量输出。其翻滚运动是通过合理规划与控制机器人质心与支撑区域之间关系而实现。对该机器人构型进行描述,并规划其翻滚运动步态,给出最优运动规则;基于此运动规则建立其运动学模型,并以算例验证了模型正确性;结合运动过程步态规划进行两个翻滚周期运动可行性的理论分析;搭建一套试验系统平台,包括液压系统与试验样机系统,开展四个滚动步态试验;样机试验结果表明了试验样机系统是可靠的且具备快速响应能力,验证了翻滚运动理论分析的正确性以及翻滚运动过程的可行性。

关键词：滚动机器人平面缩放机构液压驱动移动并联机构

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一种模块化滚动机器人构型设计与性能分析

一种模块化滚动机器人构型设计与性能分析

作者：王世杰燕山大学

学位级别：硕士

滚动机器人作为一种新颖、特殊的移动机器人,主要凭借自身滚动完成作业任务,因其不同于足腿机器人、履带机器人、跳跃机器人和仿生类机器人等传统的运动形式,具备独特的环境适应性和运动连续性,逐步成为国内外学者关注和研发的热点。先... 详细信息

滚动机器人作为一种新颖、特殊的移动机器人,主要凭借自身滚动完成作业任务,因其不同于足腿机器人、履带机器人、跳跃机器人和仿生类机器人等传统的运动形式,具备独特的环境适应性和运动连续性,逐步成为国内外学者关注和研发的热点。先后出现球形、轮式、圆柱形、椭球型及一些依靠自身结构形变实现翻转的特殊构型机器人等系列滚动机器人,其构型、运动模式不断丰富。本文提出一种基于三自由度并联机构单元的模块化滚动机器人,并开展机器人构型设计、运动性能和动力学分析、虚拟样机搭载和仿真实验、概念样机研制及实物实验等。首先,基于并联单元模块各项性能分析,应用图形重组理论,设计模块化滚动机器人整机初步构型,并进一步细化其结构设计确定三模块、四模块、五模块及六模块系列模块化滚动机器人构型方案,并从结构复杂性、驱动多样性、运动灵活性、稳定性等方面对不同模块数量的机器人展开驱动机理分析。其次,在对模块化滚动机器人运动性能分析的基础上,构建机器人运动学模型,对其变轮径运动、平面直线滚动运动、转弯运动和上坡运动等典型运动进行步态及各驱动运动原理分析,并针对不同典型运动列出多种步态中的一种。再次,综合考虑模块化滚动机器人构型、运动特性等因素,应用第二类拉格朗日方程法,对模块化滚动机器人定轮径滚动运动和变轮径滚动分别进行动力学分析,建立动力学模型。同时利用ADAMS软件构建模块化滚动机器人运动仿真平台,对其各类运动进行仿真,并分析仿真结果进行初步实验验证。最后,在对并联单元模块承载能力测试的基础上,研制机器人实验概念样机,并应用MATLAB编写机器人驱动控制界面,构建机器人各驱动运动控制系统,开展不同步态、不同场景、不同模式运动实验,分析解释实验结果。

关键词：滚动机器人模块化并联机构变轮径运动

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基于化学反应的自驱动滚动机器人研究

基于化学反应的自驱动滚动机器人研究

作者：刘由之北京化工大学

学位级别：硕士

机器人具有各类不同的驱动方式,滚动机器人由于其紧凑性好、地形和环境适应性强等优势,在机器人的某些应用领域占有重要地位。现有滚动机器人采用外置的电源或气源驱动,限制了滚动机器人的运动场景和活动范围。本文的主要研究成果如下:... 详细信息

机器人具有各类不同的驱动方式,滚动机器人由于其紧凑性好、地形和环境适应性强等优势,在机器人的某些应用领域占有重要地位。现有滚动机器人采用外置的电源或气源驱动,限制了滚动机器人的运动场景和活动范围。本文的主要研究成果如下:（1）依据自驱动滚动原理设计和制作了一种化学反应自驱动滚动机器人,通过化学反应产生气体推动反应液在机器人的多个腔体内进行循环流动,改变机器人的重心从而实现滚动。（2）分析滚动机器人实现自驱动的参数和条件,获得最低液位线、最高液位线与重力阀开闭角度之间的关系,并依据液位对机器人扭矩进行了分析,依据机器人结构和反应原理进行了运动学分析,使用拉格朗日法进行了动力学分析。（3）滚动机器人的关键部件是重力阀,机器人通过重力阀在不同的角度实现周期性的开闭用于控制气流。设计和制作了三种不同结构的重力阀,A类重力阀:基于瓣膜接触的重力阀;B类重力阀:基于变径通道内铜珠位置变化的重力阀;C类重力阀:基于软管弯折的重力阀。（4）制作了一套重力阀测试装置用于测量重力阀在不同角度下所能通过的流量。通过模型分析、Abaqus有限元分析和实验测试等方法获得了三种重力阀的特性,依据其特性不同,适应场合也不同。自驱动滚动机器人选用B类重力阀。（5）使用3D 打印等成型方法制作滚动机器人,实验测得其最高滚动速度约为2°/s,验证了该种化学反应自驱动滚动机器人的可行性,为化学反应自驱动在机器人领域的应用提供一种新的思路。

关键词：滚动机器人化学反应自驱动重力阀

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一种新型轮式滚动机器人构型设计与性能分析

一种新型轮式滚动机器人构型设计与性能分析

作者：张纯燕山大学

学位级别：硕士

滚动机器人作为一种借助机体周向滚动行走的机器人,一般通过球型、椭球型、圆柱型、轮型结构实现滚动运动。随着机器人技术的发展,也涌现出一些变形结构原理设计的滚动机器人,可依靠机构与机构之间的形变完成向前翻滚或侧向滚动。本文... 详细信息

滚动机器人作为一种借助机体周向滚动行走的机器人,一般通过球型、椭球型、圆柱型、轮型结构实现滚动运动。随着机器人技术的发展,也涌现出一些变形结构原理设计的滚动机器人,可依靠机构与机构之间的形变完成向前翻滚或侧向滚动。本文应用并联机构原理,设计了一种基于重心调整装置驱动的可变径轮式滚动机器人,并对机器人结构设计、运动学分析、动力学建模和运动仿真几个方面开展研究,探索轮式滚动机器人运动性能。首先,应用并联机构的综合性能优势创新了机器人的动力驱动系统—基于3-RRR双平面并联机构的重心调整驱动装置,结合并联机构的工作空间和奇异性分析,确定机器人驱动力矩的存在空间和极限位置,并以此为依据分析机器人的各项运动性能。其次,通过建立机器人非完整系统动力学模型和仿真分析模型,对机器人稳定性、灵活性、滚动性能进行分析,对滚动机器人的等轮径直线行走运动、差异轮径环绕运动以及坡面运动、静态障碍物存在条件下的路径规划运动等几种运动形式进行通过性分析。最后,对搭建的简易机器人原理样机在实验室条件下进行模拟运动性能实验。测试轮式滚动机器人直线运动行走效果;进行差异轮径转弯运动的轮径缩放效果和轮径缩放程度,以及机器人调整运行路径或规避障碍时的运行流畅性、稳定性和吻合程度,还有机器人上坡时的最大爬坡角度等。机器人可根据道路凹凸状况、行走速度要求以及道路坡度变化调整左右两缩放轮轮径和重心调整装置偏移位置,以完成直线行走、规避障碍、转弯,最终达到行走状态切换灵活、运行平稳的效果,具备快速移动性和各类障碍地形的通过性。

关键词：滚动机器人轮式结构重心调整机构变轮径结构并联机构

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化学反应自驱动滚动机器人设计与实验

农业机械学报 2021年第1期52卷 410-417页

作者：何雪涛刘由之焦志伟于源杨卫民马昊鹏北京化工大学机电工程学院北京100029

滚动机器人常采用外置电源或气源驱动,限制了滚动机器人的运动场景和活动范围。本文设计了一种化学反应自驱动滚动机器人,机器人内部放有反应液和催化剂,通过化学反应产生气体,推动反应液在多个腔室内循环流动,从而改变机器人重心实现滚... 详细信息

滚动机器人常采用外置电源或气源驱动,限制了滚动机器人的运动场景和活动范围。本文设计了一种化学反应自驱动滚动机器人,机器人内部放有反应液和催化剂,通过化学反应产生气体,推动反应液在多个腔室内循环流动,从而改变机器人重心实现滚动;设计了滚动机器人的关键部件——重力阀,重力阀在不同角度下实现周期性的开闭,从而控制流体。通过实验对重力阀的结构参数进行优化,使其在满足开闭角度要求的前提下,泄漏量最低;分析了滚动机器人实现自驱动的参数和条件,获得了最低液位线、最高液位线与重力阀开闭角度之间的关系;应用滚动机器人进行实验,结果表明,其最高滚动角速度为2(°)/s,验证了该化学反应自驱动滚动机器人设计的可行性,为化学反应自驱动在机器人领域的应用提供了思路。

关键词：滚动机器人化学反应驱动自驱动重力阀

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液态金属双流体机器人

中国科学：技术科学 2019年第6期49卷 619-626页

作者：叶姣陈建业刘静中国科学院理化技术研究所北京100190 中国科学院大学未来技术学院北京100049 华中科技大学能源与动力工程学院武汉430074 清华大学医学院生物医学工程系北京100084

自20世纪以来,机器人不断被广泛应用于生产制造、生活服务等诸多领域.传统刚性机器人受自由度限制,难以适应非结构化动态未知的复杂环境,而柔性机器人由于自身的灵活性以及对环境的适应性,在近年来引起广泛关注.室温液态金属兼具金属和... 详细信息

自20世纪以来,机器人不断被广泛应用于生产制造、生活服务等诸多领域.传统刚性机器人受自由度限制,难以适应非结构化动态未知的复杂环境,而柔性机器人由于自身的灵活性以及对环境的适应性,在近年来引起广泛关注.室温液态金属兼具金属和流体的良好特性,如优良的导热性、导电性、流动性以及低毒性;同时,这类材料由于自身的柔性,在机器人领域的应用备受关注.典型的液态金属驱动方式主要有电驱动、磁场驱动和化学驱动,然而,它们大多需要在溶液环境中进行.从新的角度出发,本文提出了一种基于镓基液态金属双流体驱动的滚动机器人,通过液态金属在螺旋管中的运动实现对装置重心的改变,由此推动整个装置实现快速地滚动前行.这种双流体驱动方式利用液态金属密度大的特点,使得相应的液态金属机器运动摆脱了之前所依赖的溶液运行环境.本文针对基于镓基液态金属的双流体驱动,包括热驱动和化学驱动,从理论上分析了这两种不同的动力源工作方式,具体设计了原型实验装置.所开展的一系列概念性实验澄清了影响装置运动的各种因素,证实了双流体驱动方法的可行性和良好前景,可望为室温液态金属在机器人领域的应用提供一种新的思路.

关键词：液态金属双流体滚动机器人热驱动化学驱动