仿机械式爬行机器人运动分析
爬杆机器人
原理方案一：
• 此爬行机构是简单的
曲柄滑块机构，其中 电机与曲柄固连，驱 动装置运动。上下四 个自锁套是实现上爬 的关键机构。
• 当自锁套有向上运动
趋势时，锥套. 趋势时，锥套.钢球与 圆杆之间会形成可靠 的自锁，使装置不下 滑，而上行时自锁 解 除。
爬杆机构（
1.上自锁套 1.上自锁套 2.电机 2.电机 3.曲柄 3.曲柄 4.圆杆 4.圆杆 5.连杆 5.连杆 6.下自锁套 6.下自锁套
方案 二
设计题目 ：爬杆机械人
设计小组成员：
绘图：赵元亮 杨庚 李孝龙 Ppt:张学敏 杨陶敏
一 工作原理 及工艺过程
• 方案一模仿尺蠖 （“尺蠖之屈，以求伸也”） 尺蠖之屈，以求伸也” •
向上爬行动作；方案二模仿猴子爬树 功能分解为：爬杆功能=上行功能+ 功能分解为：爬杆功能=上行功能+自锁功能
二 设计要求 保证机器人能顺利完成爬 杆的功能
三 设计方案的构思及分析
（各功能的实现方案及选择）
功能分解：爬杆（上行+自锁） 功能分解：爬杆（上行+
1 2 3
上 A 曲柄滑 B 曲柄滑 块 块+轮系 行
C 凸轮+滑 凸轮+ 块
自 D 对称重 E 非对称摩 锁 力自锁套 擦自锁套 可组合成六种不同的方案可供选择 方案一A+D和方案二B+E为较好方 方案一A+D和方案二B+E为较好方 案
• • • •
1.电机 1.电机 2.齿轮 2.齿轮 3.曲柄导杆 3.曲柄导杆 4.自锁套 4.自锁套
自锁机构 1钢球 钢球 2表面摩 表面摩 擦系数比 较大的介 质
机构俯视图
曲柄导杆运动原理图
六足爬行机器人总体设计方案
本文旳设计为六足爬虫机器人，机器人以交流-直流开关电源作为动力源，单片机为控制元件，伺服电机为执行部件，机器人采用三足着地进行运动，通过单片机对伺服电机旳控制，机器人可以实现前进、后退等运动方式，三足着地运动方式保证了机器人可以平稳运行。
伺服电机具有力量大，扭矩大，体积小，重量轻等特点。
单片机产生20ms 旳PWM 波形，通过软件改写脉冲旳占空比，从而到达变化伺服电机角度旳目旳。
1 机器人运动分析1.1 六足爬虫式机器人运动方案比较方案一：六足爬虫式机器人旳每条腿都能单独完毕抬腿、前进、后退运动。
此方案旳特点：每条腿都能自由活动，每条腿都能单独进行二自由度旳运动。
每条腿旳灵活性好，更轻易进行仿生运动，六足爬虫机器人可以完毕除规定外旳诸多动作，运动旳视觉效果更好。
由于每条腿能单独完毕二自由度旳运动，因此每条腿上要安装两个舵机，舵机使用数量大，舵机旳安装难度加大，机械构造部分旳制作相对复杂，又由于每个舵机都要有单独旳信号控制，电路控制部分变得复杂了，控制程序也对应旳变得复杂。
方案二：六足爬虫式机器人采用三腿为一组旳运动模式，且同一侧旳前腿、后腿旳前后转动由同一侧旳中腿进行驱动。
采用三腿为一组(一侧旳前足、后足与另一侧旳中足为一组)旳运动方式，各条腿可以协调旳进行运动，机器人旳运动相对平稳。
此方案特点：相比上述方案，个腿可以协调运动，在满足运动规定旳状况下，舵机使用数量少，节省成本。
机器人运动平稳，控制、驱动部分都得到对应旳简化，控制简朴。
选择此方案，机器人还可进行横向运动。
两方案相比，选择方案二更合适。
1.2 六足爬虫式机器人运动状态分析1.2.1 机器人运动步态分析六足爬虫式机器人旳行走是以三条腿为一组进行旳，即一侧旳前、后足与另一侧旳中足为一组。
这样就形成了一种三角形支架构造，当这三条腿放在地面并向后蹬时，此外三条腿即抬起向前准备轮换。
这种行走方式使六足爬虫式机器人运动相称稳定，任何时刻有三足着地，可以保持良好旳平衡，并可以随时随地停息下来，由于其重心总是落在三角支架之内。
管道攀爬机器人结构设计及行走动力特性分析
管道攀爬机器人结构设计及行走动力特性分析一、结构设计：1.机器人主体结构：管道攀爬机器人的主体结构一般由多个可伸缩的模块组成，每个模块包括一个电机、行走轮和一个伸缩杆。
2.伸缩机构：机器人通过伸缩杆来适应不同管道尺寸。
伸缩杆一般采用多节设计，每个节段之间通过齿轮或链条进行连接，以实现伸缩功能。
3.行走轮和传动机构：机器人采用行走轮来实现在管道内的行走。
行走轮通常由橡胶材料制成，提供良好的摩擦力。
传动机构一般为电机与行走轮的传动装置，通常采用齿轮传动或链条传动。
4.控制系统：机器人的控制系统包括传感器、执行器和控制器。
传感器可以感知机器人的位置、姿态和环境条件等信息，以便进行自主导航和任务执行。
执行器包括电机和伸缩杆等组件，用于控制机器人的运动和伸缩。
控制器负责接收传感器信息，并根据预设的算法控制机器人的运动。
二、行走动力特性分析：1.爬行速度：管道攀爬机器人的爬行速度取决于行走轮的直径、电机的转速和传动机构的设计等因素。
一般来说，机器人爬行速度应该足够快，以提高任务完成效率。
2.负载能力：机器人承载工具和传感器进行任务执行，因此需要具有较大的负载能力。
负载能力的大小与机器人的结构强度和设计参数有关。
3.自稳定性：机器人在管道内行走时需要具备较好的自稳定性，以应对管道内的复杂环境。
自稳定性主要通过控制系统实现，通过传感器检测机器人的姿态和环境条件，并及时做出调整。
4.能耗与动力供应：管道攀爬机器人通常采用电池供电，因此需要考虑能耗和续航时间。
一般通过优化结构设计和控制算法，减小阻力和能耗，延长电池寿命。
5.适应性：管道攀爬机器人需要适应多种管道的尺寸和形状。
因此，其结构设计应具有一定的自适应性，能够根据管道的不同尺寸进行伸缩和调整。
综上所述，管道攀爬机器人的结构设计和行走动力特性是保证机器人能够在管道内进行任务执行的关键要素。
通过合理的结构设计和动力调节，可以使机器人具有较高的工作效率和可靠性，适应不同尺寸和形状的管道。
爬壁机器人研究现状与技术应用分析
爬壁机器人研究现状与技术应用分析目前，爬壁机器人的研究主要集中在以下几个方面：第一，爬壁机器人的结构设计与材料选择。
为了实现在垂直或倾斜表面的爬行，需要设计具备足够吸附力的足部结构。
研究者通过模仿壁虎等动物的足部结构，设计出了各种新型的吸附装置。
同时，选择合适的材料也是关键，常见的材料包括硅胶、微纳米毛发等。
第二，爬壁机器人的运动控制与感知系统。
爬壁机器人需要基于环境信息进行定位和导航，同时需要通过传感器获取周围环境的变化。
研究者发展了多种导航算法和传感器技术，如视觉导航、激光雷达等，以提高爬壁机器人的感知与控制能力。
第三，爬壁机器人的动力系统研究。
爬壁机器人需要具备足够的动力来支撑其在垂直或倾斜表面上的移动。
为此，研究人员开发了各种类型的动力系统，如电池、电机、液压系统等，以满足不同需求的爬壁机器人。
第一，建筑工程领域。
爬壁机器人可以用于高空外墙维护、玻璃清洗等工作。
与传统人工作业相比，爬壁机器人可以提高作业效率，减少人力风险。
第二，军事领域。
爬壁机器人可以用于侦察、侦查、搜救等任务。
通过在垂直或倾斜表面上自由移动，爬壁机器人可以到达人类无法到达的地方，提供重要的信息。
第三，工业生产领域。
爬壁机器人可以在工业设备等狭小和垂直场所进行作业，如管道检测、焊接等。
这可以提高工业生产的效率和安全性。
第四，医疗领域。
爬壁机器人可以用于内窥镜等医疗设备中，实现更准确、精细的操作。
这对于微创手术和诊断具有重要意义。
总之，随着科技的不断进步，爬壁机器人在各个领域的研究与技术应用正在不断发展。
未来，爬壁机器人有望在更多领域发挥其独特优势，为人们的生产和生活带来更多的便利和安全。
起重机攀爬机器人运动学分析与仿真
起重机攀爬机器人运动学分析与仿真*赵章焰 秦 烺武汉理工大学交通与物流工程学院 武汉 430063摘 要：为了提高大型起重机械表面检测维护的安全性和效率，使用设计的攀爬机器人替代工作人员。
文中以攀爬机器人为研究对象，对其越障过程中的运动学以及运行轨迹进行研究。
采用改进的D-H 参数法对机器人支腿建立关节模型，在此基础上推导机器人的正逆运动学模型。
以蒙特卡洛法分析机器人越障过程中的支腿工作空间，并计算绘制机器人支腿末端点的工作云图。
使用五次多项式插值方法研究机器人在越障过程中从初始点到终点的路径，利用Matlab 的Robotics Toolbox 工具箱进行轨迹规划仿真，并分析机器人支腿末端点的位移、速度、加速度和轨迹。
仿真结果表明，机器人在越障过程中运行平稳，能够顺利完成工作。
运动学的分析也为后续的动力学、控制算法以及运动规划分析奠定理论基础。
关键词：攀爬机器人；运动学分析；多项式插值；工作域；轨迹规划中图分类号：TP242 文献标识码：A 文章编号：1001-0785（2022）14-0014-06Abstract: In order to improve the safety and efficiency of surface inspection and maintenance of large-scale hoisting machinery, climbing robots are used instead of workers. In this paper, the climbing robot is taken as the research object, and its kinematics and trajectory in the process of obstacle crossing are studied. The improved D-H parameter method is used to establish the joint model of the robot leg, and on this basis, the forward and inverse kinematics model of the robot is deduced. Monte Carlo method is used to analyze the workspace of the robot's outrigger during obstacle crossing, and the working cloud map of the robot's outrigger end point is drawn. The quintic polynomial interpolation method is used to study the path of the robot from the initial point to the end point in the obstacle-crossing process. The trajectory is simulated and planned by the Robotics Toolbox of Matlab, and the displacement, velocity, acceleration and trajectory of the robot's leg end point are analyzed. The simulation results show that in the process of obstacle-crossing, the robot runs smoothly and can finish the work smoothly. Kinematics analysis lays a theoretical foundation for subsequent dynamics, control algorithm and motion planning analysis.Keywords: climbing robot; kinematics analysis; polynomial interpolation; work domain; trajectory planning*基金项目：国家级基金“机电类特种设备风险防控与治理关键技术研究及装备研制”（2017YFC0805703）0 引言起重机械是用于港口码头装卸货物的主要设备，随着工作年限的增加会出现裂痕、生锈或表面污渍等现象，故需定期检查与清洁。
仿生爪刺式双足爬壁机器人设计与分析
金项目（ 2018M643695） 及陕西省自然科学基础研究计划 项目（ 2018JQ5062） 资助 作者简介： 刘彦伟（ 1987 －） ，讲师，博士，研究方向为仿生机器人技 术，liuyw@ xaut．edu．cn
2019 年 8 月 第 38 卷 第 8 期
机械科学与技术 Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering
DOI： 10．13433 / j．cnki．1003-8728．20190107
August 2019 Vol．38 No．8
第8期
刘彦伟等： 仿生爪刺式双足爬壁机器人设计与分析
1187
( ) β = arctan
b a
+ csinα － ccosα
（ 6）
由式（ 1） 、式（ 2） 可以得到爪刺足足端 F 点的运
动轨迹。如图 6 所示，在机器人机体固定时，电机驱
动机器人两足交替运动，其足端 F 点生成类似字母
“D”的运动轨迹（ 图 6 中蓝色环形曲线） 。
由力和力矩平衡可以得到机器人在壁面上爬行
时爪刺足需要提供的抓附力 FA 与支撑力 FS ：
FS = G + Ff
（ 7）
http： / / journals．nwpu．edu．cn /
Keywords： robots； bio-inspired spines； rough wall； chebyshev mechanism； movement analysis； experiments
爬壁机器人在灾难搜救、桥梁检测、军事侦察等 领域拥有广泛的应用前景。粘附技术和移动方式是 爬壁机器人的两大关键技术。可靠的粘附技术是保
蛇形机器人的原理
蛇形机器人的原理蛇形机器人的原理是通过模仿和模拟蛇的运动方式来实现机器人的移动。
蛇能够在不同的环境下灵活地爬行，并且能够通过扭动身体的方式来改变方向和前进。
蛇形机器人就是通过类似的方式来实现机械结构和运动控制。
蛇形机器人通常由多个关节和环节组成，这些关节和环节通过某种机械连接方式相互连接。
每个关节都有能够自由运动的自由度，可以通过这些自由度的组合来实现蛇形机器人的运动。
在机械设计上，通常使用连杆、铰链、舵机等来实现关节的运动。
蛇形机器人的运动方式主要是通过扭曲和扭转自身的身体来实现。
具体来说，当蛇形机器人需要向前运动时，它会将身体前面的一部分向前扭动，同时将身体后面的一部分向后扭动。
这样一来，机器人整体的前进方向就会与身体的扭动方向相反，从而向前移动。
蛇形机器人的身体通常由一系列类似链环的环节组成。
这些环节具有一定的柔软性和可变形性，可以通过变形来实现机器人的运动。
每个环节通常由一个关节和一个连接环组成。
关节用于控制环节的运动，连接环用于实现环节之间的连接和运动传递。
在控制方面，蛇形机器人通常使用传感器和控制算法来实现运动的识别和控制。
传感器主要用于感知机器人周围的环境，例如通过摄像头来感知周围障碍物的位置和距离。
控制算法则负责根据传感器的数据来计算机器人的运动轨迹和关节的运动方式。
在运动控制方面，蛇形机器人的目标是通过对每个关节的运动控制来实现机器人整体的运动。
通常，每个关节都由一个电机或舵机驱动，通过改变电机或舵机的转动角度来实现关节的运动。
控制算法根据机器人的运动目标和当前环境的信息，计算每个关节应该运动的角度和方向，然后发送控制信号给相应的电机或舵机。
总结起来，蛇形机器人的原理是通过模仿和模拟蛇的运动方式来实现机器人的移动。
它由多个关节和环节组成，通过某种机械连接方式相互连接，并且通过扭曲和扭转身体来实现运动。
蛇形机器人通过传感器和控制算法来感知环境和控制运动，以实现机器人整体的运动和导航。
机械创新设计课程设计
图1.8.5HIT-I、HIT-II机器人
北京理工大学于2002年12月研制出仿人机器人BRI-01，是目前国内最先进的两足步行机器人。机器人高1.6米，重80千克，具有32个自由度，步速1千米/时，步距33厘米；能依照自身的平稳状态和地面高度变化，实现未知路面的稳固行走。
步行是人类最差不多的行为方式，双足机器人具备人类的差不多结构，具有类人的步行能力。双足步行机器人在外形上具有人类特点，适合用于人类生活的环境，为人们提供方便，因此具有宽敞的市场前景。双足机器人与其他多足机器人相比具有体积较小、重量轻、动作灵活、迅速，而且更接近于人类步行的特点，因此它们对环境有最好的适应性，在日常生活中更具有广泛的应用前景。
此次要紧研究目标是二足机器人爬楼梯机构的设计，以及对它的步态的规划。
1.2.二足仿生气器人的概念
现时期，机器人的研究应用领域不断拓宽，其中仿人机器人的研究和应用受到普遍的关机器人的研究应用领域不断拓宽，其中仿人机器人的研究和应用受到普遍的关注，并成为智能机器人领域中最活跃的研究热点之一。仿人二足机器人爬楼梯的设计变营运而生。研究与人类外观特点类似，具有人类智能，灵活性，并能够与人交流，不断适应环境的仿人机器人一直是人类的妄图之一。仿人机器人的研究在专门多方面差不多取得了突破，如关键的机械单元，差不多行走能力，整体运动，动态视觉等，然而离我们理想中的要求还相去甚远，还需要在更为具体的某些行动进行研究，仿人二足机器人爬楼梯设计奖机器人的行动具体到爬楼梯动作上，，能够更加适合人类的生活和工作环境，代替人类完成各种作业，能够在专门多方面拓展人类的能力，如下图
1.7设计范畴
一直以来移动型机器人的运动方式大体上包括，轮式，履带式，足式等。履带式爬楼梯的装置原理类似于履带装甲运兵车，原理较为简单，技术也比较成熟，而且传动效率比较高，行走重心波动专门小，运动平稳。然而这类装置重量大，运动不够灵活，爬楼梯时在楼梯边缘会造成庞大的压力，对楼梯有一定的损坏，转弯不方便等问题，有专门大的限制。轮组式，轮组式爬楼梯装置按轮组中使用小轮的个数可分为两轮式，三轮式，以及四轮式。单轮组式结构稳固性较差，在爬楼梯中需要有人协助才能实现。而双轮组式尽管能实现自主爬楼，但由于其体积庞大且偏重，阻碍了她的适用范畴。步行式，其爬楼梯的执行机构由铰链杆件机构组成。上楼梯时，先将负重抬高，在向前移动，如此重复这过程。步行式爬楼梯装置仿照人类爬楼的动作，符合本组研究课题，因此采纳那个方案。步行式爬楼梯装置爬楼梯时运动平稳，适合不同尺寸的楼梯，较为便利。然而他对操作的要求专门高，设计研究专门复杂，运动幅度不大，动作缓慢。
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仿机械式爬行机器人运动分析1机器人结构组成
该机器人大体由两部分组成，分别为A．B。
两部分之间由横杆进行连接。
左侧横杆固连在A，右侧横杆固连在B。
A，B与横杆之间存在转动副。
内部电机驱动A，B以一定相位差绕横杆转动，即A 先向前运动，然后B再跟进运动同样的距离，按照这样的运动形式实现向前运动。
A，B质量均设置为40g，杆为2g。
2机器人运动分析
2．1在光滑平面上的运动分析
设置A，B之间为转动副，转动副之间存在摩擦力，静摩擦系数为0．5，动摩擦系数为0．3，摩擦力臂为1．0。
施加驱动disp(time)=0．1cos(time)。
设置A，B与地面接触力不存在摩擦。
通过Z向角速度与时间曲线可以看出，在没有摩擦存在的情况下，机器人出现在原地打转现象，不能正常运动。
由此可得，机器人运动是依靠与地面的摩擦力进行运动的。
2．2在粗糙平面上的运动分析
转动副设置参数与光滑平面中的类似。
设置A，B与地面接触力存在库伦摩擦，静摩擦系数为0．3，动摩擦系数为0．1，得到图2位移随时间变化曲线。
可以看出，在摩擦系数较低的情况下，机器人在运动过程中存在频繁的倒退现象，导致运动速度十分缓慢。
2．3更改摩擦系数，在粗糙平面上的运动分析
分别取以下几组摩擦系数代入仿真:(1)静摩擦系数为0．8动摩擦系数为0．1。
(2)静摩擦系数为0．3动摩擦系数为0．8。
(3)动摩擦系数静摩擦系数均为0．8。
得出位移随时间变化曲线进行对比，可以得出(1)情况下相同时间运动位移最长，可以达到2(静摩擦系数
为0．3，动摩擦系数0．1情况下)位移长度的3倍(但是仍然存在后退现象)。
2．4单向摩擦下的运动分析
将接触力中的库仑摩擦去除，在机器人与地面接触面上加上单向力以模仿单向摩擦状态(即机器人在正运动方向上不存在摩擦力，机器人在反向运动方向上存在摩擦力为0．04N(摩擦系数为0．5情况下)的摩擦力)。
可以得到位移随时间变化曲线。
可以看出，在单向摩擦状态下，机器人后退现象明显减少，运动速度变快。
由此得出，机器人平均速度与静摩擦系数成正比，与动摩擦系数成反比，且使用单向摩擦材料可以避免后退。
3模拟在水平放置管道运动，进行运动分析
目前仿尺蠖机器人广泛应用于胶囊机器人与救援方面，其工作环境往往为狭窄的圆形管道，因此有必要进行机器人在管道中的运动分析。
将机器人放置在一圆形管道内，设置动摩擦系数为0．5，静摩擦系数为0．3，其余参数与2一致。
得到位移随时间变化曲线。
由此可得机器人可以在管道内正常运动，但是在低摩擦系数的管道内，运动速度较慢。
4机器人内部驱动
图3为在A，B部分内的装置，由一步进电机与一行星齿轮组成。
以A中装置举例，一步进电机转子带动齿轮1转动，齿轮1再驱动齿轮2转动。
齿轮2与固连在B上的横杆相连接，带动横杆作行星运动从而带动B运动;同时B中装置同样可以带动A运动。
由于步进电机的角位移与脉冲个数成正比，因此可以通过输入同样的脉冲个数，使A，B内步进电机角位移一致，从而驱动机器人运动。
5仿尺蠖机器人的特点
通过仿真可以看出，仿尺蠖机械爬行式机器人对于运动表面粗糙度具有很高的要求，在高静摩擦系数下可以较稳定的运动(依然存在后退现象)，但是在低静摩擦系数下则会出现原地打转，运动失效。
针对这个问题，可以在机器人表面采用单向摩擦且静摩擦系数较大的材料以减小机器人运动过程中的频繁后退。
该机器人不适合在重负载下运动，由于电机选用的为步进电机，在负载过大情况下会出现失步。