欠驱动式移动机器人构型综合

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不确定非完整轮式移动机器人的运动控制研究

不确定非完整轮式移动机器人的运动控制研究非完整轮式移动机器人（wheeled mobile robot,WMR）是典型的多输入多输出耦合欠驱动非线性系统, 其运动控制问题极具挑战性。

轮式移动机器人大多工作在复杂未知环境之下, 容易受到多种不确定性和扰动的综合影响, 因此, 解决复杂不确定下非完整轮式移动机器人的运动控制问题意义深刻且现实需求迫切。

本文研究了轮式机器人包含定位不确定性、参数和非参数不确定性、侧滑和打滑干扰等情形下的运动控制策略, 探讨了非完整单链系统的有限时间控制以及力矩受限下轮式移动机器人的动力学控制。

主要的研究成果包括: （1）研究了定位不确定的轮式移动机器人路径跟随问题, 提出一种基于改进遗传算法优化自适应扩展卡尔曼滤波的全局一致渐进稳定控制器。

（2）提出了一类n维不确定非完整单链系统的鲁棒有限时间镇定控制律。

通过不连续变换将原系统分解为1阶和n-1阶两个解耦的独立子系统, 对1阶子系统采用分段控制策略解决不连续变换引起n-1阶子系统奇异问题, 保证控制律的全局性, 对n-1阶子系统采用反演（backstepping）设计方法, 降低设计复杂度, 设计过程基于有限时间Lyapunov理论, 保证系统的有限时间稳定。

（3）研究了本体动力学模型包含参数和非参数不确定性的轮式移动机器人轨迹跟踪问题, 提出基于自适应反演滑模控制的全局渐进稳定饱和控制方案。

通过运动学输入-输出非线性反馈和动力学输入变换, 建立包含系统总体不确定性项的线性模型, 采用一种动态调整机制实现控制输入饱和约束, 基于幂次趋近律提高了滑模控制的平滑性和快速性, 自适应估计总体不确定性的上界有效削弱了滑模控制的抖振现象。

（4）提出了执行器动力学模型包含参数和非参数不确定性的轮式移动机器人轨迹跟踪与镇定统一控制方法。

通过backstepping分别设计系统的运动学、本体动力学和执行器动力学控制器, 运动学控制器引入了时变控制量, 使跟踪误差模型用于镇定控制时不存在奇异, 本体和执行器动力学控制器分别采用带鲁棒项的强化学习自适应模糊控制补偿系统的复杂不确定性, 采用非线性跟踪-微分器避免了backstepping过程的“计算膨胀”, 闭环系统为最终一致有界收敛。

仿人机械手臂结构设计与运动学分析

2024年第48卷第2期Journal of Mechanical Transmission仿人机械手臂结构设计与运动学分析杨亚昆张小俊秦康（河北工业大学机械工程学院，天津300401）摘要针对真人在驾驶员注意力监测系统性能测试中重复性执行单一动作存在易疲劳等问题，设计了一种模拟驾驶员接打手持电话和抽烟等行为动作的仿人机械手臂。

首先，基于外骨骼的设计方法，进行机械臂和仿生手的结构设计；然后，利用改进的D-H法建立机械手臂运动学模型，进行正逆运动学求解和工作空间分析，并在Adams软件中对机械手臂进行动力学仿真，获得了其运动特性与负载特性。

仿真结果表明，该机械手臂结构设计合理，关节柔性执行器选型满足要求。

关键词机械手臂结构设计运动学工作空间Structural Design and Kinematic Analysis of Humanoid Robot ArmsYang Yakun Zhang Xiaojun Qin Kang(School of Mechanical Engineering, Hebei University of Technology, Tianjin 300401, China)Abstract Aiming at the problem that human beings are prone to fatigue when they repeatedly perform a single action in the performance test of the driver attention monitoring system, a humanoid robot arm is designed to simulate the driver's behaviors such as answering and making handsets and smoking. Firstly, based on the exoskeleton design method, the structure of the robot arm and the bionic hand is designed. Secondly, the im⁃proved D-H method is used to establish the kinematics model of the manipulator; the forward and inverse kine⁃matics are solved, and the workspace is analyzed; the dynamics simulation of the robot arm is carried out in Ad⁃ams software to obtain its motion characteristics and load characteristics. The simulation results show that the structural design of the manipulator is reasonable, and the selection of joint flexible actuators meets the require⁃ments.Key words Robot arm Structural design Kinematics Workspace0 引言随着汽车智能化程度的提升，越来越多的汽车开始搭载各类驾驶辅助系统，与之而来的是，与智能驾驶汽车相关的交通事故也呈逐渐上升趋势。

机器人的组成结构

一般情况下，实现臂部的升降、回转或或俯仰等运动的驱动装置或传动件都安装在机身上。臂部的运动愈多，机身的结构和受力愈复杂。机身既可以是固定式的，也可以是行走式的，即在它的下部装有能行走的机构，可沿地面或架空轨道运行。
常用的机身结构：１）升降回转型机身结构２）俯仰型机身结构３）直移型机身结构４）类人机器人机身结构
根据臂部的运动和布局、驱动方式、传动和导向装置的不同可分为：
１）伸缩型臂部结构２）转动伸缩型臂部结构３）驱伸型臂部结构４）其他专用的机械传动臂部结构
３．机身和臂部的配置形式
机身和臂部的配置形式基本上反映了机器人的总体布局。由于机器人的运动要求、工作对象、作业环境和场地等因素的不同，出现了各种不同的配置形式。目前常用的有如下几种形式：
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1. 滑槽杠杆式手部
2.齿轮齿条式手部
4. 斜楔杠杆式
3.滑块杠杆式手部
5.移动型连杆式手部
6.齿轮齿条式手部
7.内涨斜块式手部
8.连杆杠杆式手部
手指类型：
吸附式取料手
吸式取料手是目前应用较多的一种执行器，特别是用于搬运机器人。该类执行器可分气吸和磁吸两类。 1）气吸附取料手
连杆（Link）：机器人手臂上被相邻两关节分开的部分。
刚度（Stiffness）：机身或臂部在外力作用下抵抗变形的能力。它是用外力和在外力作用方向上的变形量（位移）之比来度量。
自由度（Degree of freedom）：或者称坐标轴数，是指描述物体运动所需要的独立坐标数。手指的开、合，以及手指关节的自由度一般不包括在内。
• 圆柱坐标型机械手有一个围绕基座轴的旋转运动和两个在相互垂直方向上的直线伸缩运动。它适用于采用油压(或气压)驱动机构，在操作对象位于机器人四周的情况下，操作最为方便。

10个机器人构型示例

的模块构成各节有独立的驱动系统。蛇形机器人不是利用轮子, 而是利用模块之间的相对转动, 使身体弯曲伸张实现运动, 可以有多种执行器结构实现驱动, 目前大多利用伺服电机驱动,它的驱动方式有: 1) 电机-控制杆驱动器: 电机通过一个控制杆传递力, 使关节弯曲。 2) 电机直接驱动: 电机输出轴直接与关节轴连接。 3) 铰盘绳索驱动器: 电机驱动铰盘来控制围绕其上的绳长, 绳子的收缩控制关节的转动。
03 履带式机器人
该机器人由四条履带组成，机体上端配置有两条机械臂，用以装置摄像头和机械手来完成相应任务，在结构上这种履带式机器人相比坦克的“单节双履带式”机器人具有更好的越障能力，其两条外履带可以相当于“辅助手臂”帮助跨越障碍。
04 自行车机器人
自行车运动力学特征较为复杂，其两轮纵向布置，与地面无滑动接触，它本身就是一个欠驱动的非完整系统，还具有一定的侧向不稳定性，如果不对它实施侧向控制，自行车就一定会不能站立起来。
01 四足搜救机器人
机器人每足具有三个自由度，其中大腿关节具有前后摆动和上下转动两个自由度，膝关节具有一个上下转动自由度．质量约 40 kg，有效负载5 ～ 7 kg，行走速度达到0. 3 ～ 0. 9 /s．该机器人的体积和重量都较大，步态切换的灵活性受到抑制．
02 轮足混合式的四足机器人
其可以在足式移动方式和轮式移动方式之间进行切换，用以实现在不同的结构环境下以不同的方式行进，当机器人进行步态行走时，两个驱动轮通过电磁铁锁死，车轮与机器人小腿形成一体，机器人通过驱动每条腿髋关节两个自由度和膝关节一个自由度进行步态行走．当机器人进行轮式驱动时，髋关节两个自由度和膝关节一个自由度锁死，驱动轮电磁铁打开，通过驱动轮快速前进。

新型欠驱动仿生灵巧手设计及实时操作控制

胞生长的支架，而仿生灵巧手也由于与人手的高度匹配，具有未来充当手部骨骼支架的潜力。
根据驱动器放置的位置不同，仿生灵巧手分为驱动内置式和驱动外置式．驱动内置式灵巧手将控制器，驱动器以及传动机构集成在手掌内部，比如北京航空航天大学研制的 BH—985 灵巧手［3］，哈尔滨工业大学的 HIT / DLＲ Hand II 灵巧手［4］。这种类型的灵巧手具有外观拟人程度高，模块化程度高等特点，但由于将多种结构集成于手掌中，使得其手指尺寸和重量难以减小，从而限制了灵巧手本身的灵活性。
（ 1．南京航空航天大学自动化学院，江苏南京 211100； 2．南京航空航天大学航空宇航学院，江苏南京 211100； 3．南京航空航天大学材料学院，江苏南京 211100）
摘要：根据人手的生理结构，参考人手骨骼形状，设计了一种保留人手大部分生物力学特征的灵巧手控
制模型。为满足灵巧手多指控制的同步性和数据传输的实时性，设计了数据传输模块以及舵机控制模块。
中图分类号： TP 241
文献标识码： A
文章编号： 1000—9787（ 2019） 06—0092—04
Design and real-time operation control of novel underactuated bionic dexterous hand*
CAI Yu1 ，DUAN Shengqing1 ，WEI Xiaochen2 ，GUO Zhaoyang3 ，YANG Shangxuan1
0引言近几十年来，仿生学极大地推动了机器人技术的研究
与发展，对仿生灵巧手的研究最初源于对利用电机假肢来弥补肢体缺损的期望。人手的灵活性很大程度上得益于人类数百万年进化所形成的生物力学特征。人手骨骼的复杂形状，多样的旋转自由度及其他生物学特征共同组成了一个经过千百年验证的控制系统。此外，仿生灵巧手在神经义肢和肢体再生等新兴领域上也有许多潜在优势，人工肌肉的成功培养［1］，可生物降解的人造韧带的发明，可打印的生物相容性材料［2］等前沿技术都需要一个适合移植细

移动机器人结构设计

移动机器人结构设计一、引言随着科技的快速发展，机器人技术不断取得新突破，其中，移动机器人的发展尤为引人注目。

移动机器人的应用场景广泛，包括但不限于服务型机器人、工业自动化、无人驾驶、智慧城市等领域。

结构设计是移动机器人设计的重要组成部分，其决定了机器人的运动性能、稳定性和耐用性。

本文将对移动机器人的结构设计进行深入探讨。

二、移动机器人的基本结构移动机器人通常由以下几部分组成：1、运动系统：包括轮子、履带、足等运动部件，用于实现机器人的移动。

2、控制系统：包括电机、驱动器、控制器等，用于驱动运动部件，控制机器人的运动轨迹和速度。

3、感知系统：包括摄像头、激光雷达、GPS等感知设备，用于获取周围环境信息，为机器人提供导航和定位数据。

4、计算系统：包括计算机主板、处理器、内存等，用于处理感知数据，做出决策，控制机器人的运动。

5、电源系统：包括电池、充电器等，为机器人的运行提供电力。

三、移动机器人的结构设计要点1、轻量化设计：为了提高机器人的移动性能和续航能力，需要尽量减轻机器人的重量。

因此，应选择轻质材料，优化结构设计，减少不必要的重量。

2、稳定性设计：机器人在移动过程中需要保持稳定，避免因摇晃或震动导致结构损坏或数据丢失。

因此，需要设计合适的支撑结构和防震措施。

3、耐用性设计：考虑到机器人的使用寿命和维修需求，结构设计应便于维护和更换部件。

同时，应考虑材料和部件的耐久性，确保机器人在恶劣环境下的正常运行。

4、适应性设计：由于应用场景的多样性，机器人的结构应具有较强的适应性。

例如，在复杂地形或狭小空间中，机器人需要具备爬坡、过坎、越障等能力；在无人驾驶领域，机器人需要具备快速反应和灵活避障的能力。

因此，结构设计应具有足够的灵活性和可扩展性，以满足不同场景的需求。

5、安全性设计：考虑到机器人与人或其他物体的交互，结构设计应确保安全性。

例如，应避免尖锐的边缘和突出的部件，以减少碰撞风险；在感知系统中加入安全预警机制，避免潜在的危险情况。

新型移动并联机器人动力学分析与控制设计

新型移动并联机器人动力学分析与控制设计新型移动并联机器人动力学分析与控制设计一、引言近年来，机器人技术的发展取得了长足的进步，并被广泛应用于工业、医疗、军事等领域。

移动并联机器人因其具有高度机动性和灵活性的特点，成为研究的热点之一。

本文旨在对新型移动并联机器人的动力学进行分析与控制设计，以优化机器人的运动能力和工作效率。

二、新型移动并联机器人的基本结构新型移动并联机器人是指通过多个机械臂和轮式底盘结合而成的机器人系统。

其具有高度机动性，能够在不同地形环境下进行运动和工作。

新型移动并联机器人的基本结构包括机械臂部分和底盘部分。

机械臂部分是机器人的工作单位，负责完成各种任务。

通常由多个自由度的机械臂构成，每个机械臂上安装有各种工具和装置，以完成特定的工作。

机械臂的设计和动力学分析是新型移动并联机器人研究的重点之一。

底盘部分是机器人的移动单位，负责机器人的定位和导航。

底盘通常由多个封闭式回路构成，每个回路上配有一个轮子或履带，通过电机驱动实现运动。

底盘的设计和动力学分析对机器人的移动性能和稳定性至关重要。

三、新型移动并联机器人的动力学分析动力学分析是研究物体运动的一种方法，它借助于力学和数学工具，研究物体在外力作用下的运动规律。

对于新型移动并联机器人而言，动力学分析能够揭示机器人在不同工作状态下的力学特性，为机器人的运动控制提供关键参数。

1. 机械臂动力学分析机械臂的动力学分析是指研究机械臂在外力作用下的运动规律。

机械臂的运动可以分解为位置、速度和加速度三个方面。

通过分析机械臂各个关节的动力学特性，可以确定机械臂在特定工作状态下的力学性能。

动力学分析的结果可以用于机械臂的运动规划和控制。

2. 底盘动力学分析底盘的动力学分析是指研究底盘在外力作用下的移动规律。

底盘的移动可以分解为位置、速度和加速度三个方面。

通过分析底盘的运动特性和所受力的分布，可以确定底盘在不同地形环境和工作状态下的运动性能。

动力学分析的结果可以用于底盘的运动控制和路径规划。

2020年秋机器人技术及应用形考任务1

2020年秋机器人技术及应用形考任务二、分析设计1、分析复合式移动机器人的结构与优点？在未知非典型地形环境中，单一的移动模式很难满足机器人通过性的要求。

为了获得更好的地面适应能力，除了在移动机构的结构上改进以获得更高的越障能力之外，通常还将若干个不同类型的单一移动装置（轮子、履带或者腿）叠加到一个机器人本体上，使得机器人同时具有多种移动方式，兼有所叠加模式的优点。

这类机器人一般称为混合式移动机器人。

混合式移动机器人的优势在于集成了多种典型移动方式，使得机器人在复杂地形下的越障能力非常突出，但同时由于叠加了多种移动装置，而这些移动装置一般都带有独立驱动系统，使得机器人整体自由度比较多。

2、具有蠕动、滚动步态的机器人可以设计成那种类型？举例说明这种类型机器人的运动方式。

可以设计成蛇形机器人。

ACM-R5 是一款由日本立命馆大学研制的水陆两栖蛇形机器人，它由 9 个模块化单元组成，不仅可以实现传统蛇形机器人的基本步态，还另外开发了 S 型滚动步态以及螺旋滚动步态，具有更强的地面及水下适应能力。

Unified Snake 是由卡耐基·梅隆大学开发的一款具有大扭矩、轻量化、低耗能等特点的实用型蛇形机器人，并进一步对其垂直攀爬、水平外攀爬步态进行研究，增强了机器人的野外侦察能力3、为了缩短维护和修理时间，节约维修成本可以将工业机器人设计为什么结构特点的机器人？说明这种设计思路的优点？可以设计为可重构模块化机器人，由若干离散模块组成，每个模块具有相对独立的功能和结构，这些模块之间能够以多种方式实现物理连接，不同的组合方式可以构成不同的形状以及不同的功能，其组合变形的方式称为重组。

可重构模块化机器人的特点是模块间的互换性强，可以大大缩短维护和修理时间，节约维修成本。

由于模块化机器人具有模块种类少、单种数量多的特点，故在保证加工质量的同时，可降低生产成本。

4、设计一款其转向灵活，结构相对简单，系统重量轻，成本低的机器人，并分析其特点。

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ｎｉｓｍ，ｓｅｖｅｒａｌｍｅｔｈｏｄｓａｒｅｕｓｅｄｔｏｐｒｏｐｏｓｅｎｅｗｍｅｃｈａｎｉｓｍｓｏｆｕｎｄｅｒａｃｔｕａｔｅｄｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎ，ｓｕｃｈａｓａｄｄｉｎｇｓｔｒｕｃｔｕｒｌａｃｏｍｐｏ —
ｒｏｂｏｔｉｓｒｅｄｅｓｉｇｎｅｄ，ａｎｄｔｈｅｐｒｏｃｅｄｕｒｅＳｉｎｓｕｉｃｆｉｅｎｃｙｉｓｃｏｍｐｌｅｔｅｄ．Ｓｔａｒｔｉｎｇｗｉｔｈｔｈｅｍｏｓｔｓｉｍｐｌｉｉｆｅｄｒｏｃｋｅｒ－ｂｏｇｉｅｍｅｅｈａ —
ｎｅｎｔｓｔｏｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｓｍ，ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｔｈｅｎｕｍｂｅｒｏｆｗｈｅｅｌｓｔｈａｔｉｎｔｅｒａｃｔｉｎｇｗｉｔｈｔｈｅｇｒｏｕｎｄａｎｄａｕｇｍｅｎｔｉｎｇｔｈｅＤＯＦｏｆｔｈｅｕｎ —
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机械研究与应用・２０１４年第１期（第２７卷，总第１２９期）
研究与分析
欠驱动式移动机器人构型综合
谢铮，张新华
１０００７４）（中国航天科工集团公司第三研究院，北京
摘
要：拓展移动机器人的构型以满足更多场景的应用有着重要意义。在颜氏机构创造性设计ＴＰ２４２
文献标志码：Ａ
文章编号：１００７ — ４４１４（２０１４）０１ — ００２１ — ０６
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ＴｙｐｅＳｙｎｔｈｅｓｉｓｏｆＵｎｄｅｒａｃｔｕａｔｅｄＭｏｂｉｌｅＲｏｂｏｔＸＩＥＺｈｅｎｇ．ＺＨＡＮＧＸｉｎ－ｈｕａ
ｍｏｒｅｓｐｅｃｉｆｉｃｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ．ＢａｓｅｄｏｎｔｈｅＹａｎＳｍｅｃｈａｎｉｃａｌｃｒｅａｔｉｖｅｄｅｓｉｇｎｐｒｏｃｅｄｕｒｅ，ｔｈｅｕｎｄｅｒａｃｔｕａｔｅｄｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎｏｆｍｏｂｉｌｅ
ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｉｎｔｈｅｌａｓｔ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｐｒｏｖｉｄｅｓｎｅｗｍｅｃｈａｎｉｓｍｓａｎｄｍｅｔｈｏｄｓｆｏｒｍｏｂｉｌｅｒｏｂｏｔｄｅｓｉｇｎｉｎｇ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｕｎｄｅｒａｃｔｕａｔｅｄ；ｍｏｂｉｌｅｒｏｂｏｔ；ｔｙｐｅｓｙｎｔｈｅｓｉｓ；ＹａｎＳｍｅｃｈａｎｉｃｌａｃｒｅａｔｉｖｅｄｅｓｉｇｎｐｒｏｃｅｄｕｒｅ
式移动机器人悬架进行创新设计，并针对该方法的不足进行了拓展和补充。从最简化的摇臂机构出发，分别采用了增加机构构件、增加接触地面车轮数目、增加机构自由度等方法，得到了新型的欠驱动式悬架，并从中挑选了几种典
型的构型进行移动性能比较和评价，为移动机器人的设计提供了新的构型和思路。关键词：欠驱动；移动机器人；型综合；颜氏机构创造性设计法
ｄｅｒａｃｔｕａｔｅｄｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎ．Ａｃｏｕｐｌｅｏｆｔｙｐｉｃａｌｎｅｗｄｅｓｉｇｎｅｄｍｅｃｈａｎｉｓｍｓａｒｅｐｉｃｋｅｄｏｕｔｔｏｅｖｌｕａａｔｅｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅｌｏｃｏｍｏｔｉｏｎ
（ＴｈｅＴｈｉｒｄＲｅｓｅａｒｃｈＡｃａｄｅｍｙ，ＣＡＳ１Ｃ，Ｂｅｊｉｉｎｇ１０００７４，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｉｔｈｍｏｂｉｌｅｒｏｂｏｔｂｅｉｎｇａｐｐｌｉｅｄｗｉｄｅｌｙ，ｉｔＳｓｉｇｎｉｉｆｃａｎｔｌｙｉｍｐｏｒｔａｎｔｔｏｅｎｒｉｃｈｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｓｍｓｏｆｍｏｂｉｌｅｒｏｂｏｔｆｏｒ