一种欠驱动移动机器人运动模式分析
天津比利科技发展有限公司
李艳杰’马岩1，钟华2，吴镇炜2'隋春平2
（1.沈阳理工大学机械工程学院，沈阳110168;2．中国科学院沈阳自动化研究所，沈阳110016）
摘要：介绍了一种欠驱动移动机器人的机械结构。分析了该欠驱动移动机器人在平地行进模式的特点，提出一种越障控制模式。在该越障控制模式中加入了障碍物高度计算算法，使得移动机器人在越障过程中的智能控制更加高效。利用VB编写控制程序人机界面，在移动机器人实物平台上进行了实验，实验结果证明了控制方法的有效性。关键词：AVR单片机；欠驱动移动机器人；越障模式中图分类号：TP242文献标志码：A
AnalysisofaUnderactuatedMobileRobotMovingMode
LIYan-jie',MAYan',ZHONGHua2,WU2hen-wej2,SUIChun-ping2
(l.SchoolofMechanicalEngineering,ShenyangLigongUniversity,Shenyang110168,China;2.RoboticsLab,ShenyangInstituteofAutomation,ChineseAcademyofSciences,Shenyang110016,China)
Abstract:Themechanicalstructureofakindofunderactuatedmobilerobotwasdescribedinthispaper.Thecharac-teristicsoftheunderactuatedmobilerobotintheplainstravelingmodewasanalyzedandakindofobstacle-negotia-tioncontrolmodewasproposed.Duetocalculatealgorithmofobstacle'sheightwasaddedtothetheobstacle-nego-tiationcontrolmode,theintelligentcontrolofobstacle-negotiationbecomesmoreefficient.ThecontrolprocedureHMIwasprogrammedbyVBandtheexperimentwasperformedonthemobilerobotplatform.Experimentresultsshowthecontrolmethodwaseffective.Keywords:AVRSCM;underactuatedmobilerobot;obstacle-negotiationmode
欠驱动机械系统是一类特殊的非线性系统，该容错控制的作用。因此，欠驱动机器人被广泛应用
系统的独立控制变量个数小于系统的自由度个数【l】o于空间机器人、水下机器人、移动机器人、并联机器欠驱动系统结构简单，便于进行整体的动力学分析人、伺服机器人和柔性机器人等行业。和试验。有时在设计时有意减少驱动装置以此来增本文以四驱动、八自由度的欠驱动移动机器人
加整个系统的灵活性。同时，由于控制变量受限等为实验对象，通过切换驱动器的工作模式来克服系
原因，欠驱动系统又足够复杂，便于研究和验证各统不完全可控造成反馈控制失效【2】的缺点。以工控种算法的有效性。当驱动器故障时，可能使完全驱机作为上位机，通过工控机的RS232串口与AVR
葫系统成为欠驱动系统，欠驱动控制算法可以起到单片机进行无线通讯。通过对驱动器反馈数据的分
收稿日期：2013-01-22：修订日期：2013-02-19基金项目：国家科技支撑计划项目(2013BAK03801,2013BAK03802)作者筒介：李艳杰（1969-），女，博士，教授，研究方向为智能机器人控制及机器人学；马岩（1988-），男，硕士研究生，研究方向为嵌入式控制；钟华（1977-），男，博士，副研究员，研究方向为机器人控制及系统集成。
Automation＆Instrumentation2013(9)一种欠驱动移动机器人运动模式分析
析、计算使得机器人在遇到障碍时能够自动地翻越
障碍，并且可以对正在工作的机器人进行实时监控。
1系统硬件设计移动机器人实物图如图1所示。
图1移动机器人实物图Fig.lPhysicalmapofthemobilerobot
本机器人使用的电机为FAULHABER公司的
3257024CR系列直流有刷电机。电机与谐波减速器
相连，减速比为l:1000电机输出轴经过减速后与履
带轮相连，本履带轮是一种2K-H（即两个太阳轮、
一个行星架）的差动机构【3】，根据地面的约束条件履
带轮可能发生的运动情况有：翻转运动、平动以及
两种运动复合的情况。履带轮结构如图2所示。履带轮的差动原理是：①当履带轮发生翻转运动时，履
带4的速度为O，同时主动轮5、连接带7、联轮6、齿轮8的速度也为Oo此时，经输入轴9输入的力矩
通过齿轮10直接施加到联架上，从而带动支撑轴11运动，即履带轮发生翻转运动；②当履带轮发生
平动时，履带轮4、主动轮5、连接带7、联轮6、齿轮8的速度不为O，经输入轴9输入的力矩并没有完
全施加到联架上，其中的一部分力矩经传动机构被
分配到主动轮5上。若施加到联架的力矩不足以使
履带轮翻转，则履带轮平动。若施加到联架的力矩
大于履带轮的翻转力矩时，则履带轮同时发生翻转运动与平动。
注：1.从动轮；2．连接板；3．支撑轮；4.履带；5．主动轮；6．联轮；7.连接带；8．齿轮；9.输
入轴；10.齿轮；11.支撑轴。图2履带轮结构图Fig.2Structurediagramofthecrawlerwhee
自动化与仪表2013(9)2控制系统设计
2.1控制系统总体结构
上位机选择新汉公司的NISE2000无风扇工
控机，该工控机配有支持VGA显示的USB接口以
及RS232串口，能够满足实验的需求。控制器选择ATmel公司AT90CAN64单片机，
该单片机内部集成了CAN控制器以及UART。控制
器通过无线串口接收来自上位机的工控机数据，以此控制电机的动作。驱动器选择Elmo公司的SOL-WHI10/64E01
智能数字式伺服驱动器，支持CANopenDS301，DS305，DS401通讯协议【4】，可通过CAN总线实现与控制器的快速、同步通讯。该驱动器支持四种工作
模式：电流模式（转矩模式）、速度模式、位置模式、高级位置模式。利用驱动器自带的CAN总线收发器，控制器可以接收来自驱动器的数据，如电机的
有效电流值、电机轴主反馈位置、电机的工作状态
等，根据驱动器返回的数据可以进行进一步的控制
处理。控制结构如图3所示。
图3控制系统结构图Fig.3Structurediagramofthecontrolsystem
2.2系统软件设计
对电机的控制及采集电机状态是整个软件系
统的核心部分，用于对电机工作状态的设置、监测、
报警等处理。VB的MSComm通信控件提供了一系
列标准通信命令的接口圈，它允许建立串口连接，还
可以发送命令、进行数据交换以及监视和响应在通
信过程中可能发生的各种错误和事件，从而可以用
它创建全双工、事件驱动的、高效实用的通信程序。因此通过MSComm控件工控机能够对控制器进行
设置，可以准确、实时地控制车体的运动情况，如电
机模式的选择、电机电流值与速度值的设定等。
利用MSComm控件工控机可以及时地处理来自驱动器的报警数据，通过解读报警数据便可以掌
握电机当前的工作状态，以求达到最佳的控制效
果。例如，处于电流模式下的电机在运动过程中很容易发生过速而导致驱动器进入自我保护状态从
而使电机下电，这时就需要根据驱动器返回的状态
报告判断电机意外下电的原因，若是电机过速引起
的下电则应该重新上电继续工作，若是因为其他原因引起的下电则需要根据情况做出相应的调整，避
免损坏电机及驱动器。
3系统运动模式分析
车体在行进时分为平地行驶阶段和越障阶段
两个阶段，两个阶段分别采取了平地行进控制模式和越障控制模式。3.1平地行进控制模式
在平地行驶阶段，对移动机器人的要求是：①平稳：即机器人在行进过程中履带轮不会发生翻滚
或是履带打滑。②高效：即要求机器人能够快速地
通过平地区域。为了满足机器人在平地行进阶段的
平稳、高效要求，采用前轮速度模式、后轮电流模式
的控制模式。该种控制模式的特点是：(1)在遇到障碍物时，处于速度模式的前轮会立刻发生翻滚并且
攀上障碍物，反应迅速。(2)与全速度控制模式（前、
后驱动器均为速度模式）相比，该种模式不会因为前后轮的速度不协调从而使整个车体承受非常大
的内力，俗称“别劲”。(3)与全电流控制模式（前、后
驱动器均为电流模式）相比，消耗的能量更少，可持续工作的时间更长。经过多次实验验证，在前轮速
度为90r/m，后轮电流为1.5A时的行进效果最好。
在该种状态下，移动机器人行进平稳、高效，不存在前轮意外翻转与履带打滑的现象，同时整个移动机
器人消耗的能量更少。3.2越障控制模式
文中提到的障碍物是指台阶之类的简单障碍
物，只讨论了上台阶的情况。3.2.1后轮电流模式的越障模式
在机器人翻越障碍的过程中，若仍然采用前轮
速度模式、后轮电流模式，那么会发现前轮可以顺
利地翻上障碍物，同时后轮继续前进直至与障碍物
完全接触。在之后的过程中，前轮被车体支起并在速
度模式下保持速度闭环，即“空转”现象，
如图4所示。图4前轮“空转”现象Fig.4Frontwheelsidling
在后轮与障碍物接触之后，通过增大后轮电机
电流的方式依然不能使后轮翻转。电流增至2.8A时，后轮有向前翻转的趋势：但是当电流增大到3.0A
时，整个车体发生了突然的向后翻转，这对于车体
的破坏是非常大的。这是因为：使后轮翻转的力矩远大于使整个车体向后翻转的力矩，当后轮电机力
矩增大至车体翻转力矩时车体便发生了突然的翻
转。图5给出了前轮电机60r/m，后轮电机1.5A时
前轮电机的电流曲线。
从图5可以看出，在采集阶段前侧带轮与障碍
物的上表面发生了两次接触，第一次发生在A点，第二次发生在B点。位于A点时右侧电机的电流达
到了峰值，为2.834A，而左侧电机的电流却突然有
了下降的趋势，为1.5084Ao造成左侧电机电流不升反降的原因是，在前轮越到障碍物开始翻转时，左
右两轮并没有同步翻转，而是右侧带轮先行翻转并
率先与障碍物接触，因此右侧电机出现峰值电流A
时，左侧电机电流反而下降。由于右侧带轮与障碍物接触时将车体支起，导致在第一次与障碍物接触之后左侧带轮先于右侧带轮越过障碍，因此在第二
次与障碍物接触时(B点)产生了左侧电机电流出现
峰值而右侧电机电流下降的现象。
从以上的分析看出，采用前轮速度模式、后轮电流模式的越障控制模式不可行。
3.02.5<2.0道1.5螺1.00.50
欠驱动跳跃机器人运动规划
欠驱动跳跃机器人运动规划
刘载淳;李齐悦;张校东;李林
【期刊名称】《应用科技》
【年(卷),期】2011(038)010
【摘 要】通过对欠驱动跳跃机器人的动力学模型的分析,结合机器人的雅克比矩阵及主被动关节之间的动力耦合关系,推导出了欠驱动机器人的伪逆运动学方程,对运动轨迹的优化数学模型进行降阶处理,并进行了运动规划的仿真分析.仿真结果分析表明了该方法的正确性及有效性,该运动规划方法对其他跳跃机器人的运动规划及控制方法的研究具有一定的理论参考价值,同时,亦可推广至平面多自由度的欠驱动机器人轨迹规划的问题上.
【总页数】5页(P9-12,38)
【作 者】刘载淳;李齐悦;张校东;李林
【作者单位】哈尔滨工程大学机电工程学院,黑龙江哈尔滨150001;哈尔滨工程大学机电工程学院,黑龙江哈尔滨150001;哈尔滨工程大学机电工程学院,黑龙江哈尔滨150001;哈尔滨工程大学机电工程学院,黑龙江哈尔滨150001
【正文语种】中 文
【中图分类】TP242
【相关文献】
1.基于样条逼近与曲线拟合的欠驱动仿生机器人运动规划 [J], 厉虹;张甜
2.改进PSO在欠驱动机器人运动规划中的应用研究 [J], 厉虹;张甜 3.一种基于遗传算法的欠驱动机器人避障运动规划新方法 [J], 刘庆波;余跃庆;苏丽颖
4.基于遗传算法的欠驱动机器人运动规划 [J], 刘庆波;余跃庆;王浩
5.一种新型翻转跳跃运动机器人的运动结构与轨迹规划 [J], 杨煜普;耿涛;郭毓
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欠驱动移动机器人的路径跟踪控制
第３７卷第１期
２０１４年１月 合肥工业大学学报（自然科学版）
ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＨＥＦＥＩ ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ ＯＦ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ Ｖｏ１．３７ Ｎｏ．１ Ｊａｎ．２０１４
Ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００３－５０６０．２０１４．０１．０１２
欠驱动移动机器人的路径跟踪控制
杨兴明， 朱建， 高银平
（合肥工业大学计算机与信息学院，安徽合肥 许东昌
２３０００９）
摘要：双轮移动机器人是一种典型的具有非完整约束的欠驱动系统，针对其路径跟踪和姿态平衡的控制问
题，文章提出了一种基于反演技术的运动学控制器和滑模动力学控制器相结合的控制算法，反演法设计运动
学控制器用以解决跟踪速度和位置之间的控制关系。考虑到系统本身的不确定性和外界干扰，采用具有稳定
性和鲁棒性特点的滑模控制器作为动力学控制器用以解决机器人的运动平衡和控制电压之间的控制问题。
仿真结果表明该方法有效地实现了双轮移动机器人在保持平衡的同时稳定地进行轨迹跟踪。
关键词：移动机器人；反演；滑模控制；动力学模型；姿态平衡
中图分类号：ＴＰ２７３．５ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００３—５０６０（２０１４）０１—００５３—０６
Ｐａｔｈ ｔｒａｃｋｉｎｇ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｕｎｄｅｒａｃｔｕａｔｅｄ ｍｏｂｉｌｅ ｒｏｂｏｔ
ＹＡＮＧ Ｘｉｎｇ－ｍｉｎｇ， ＺＨＵ Ｊｉａｎ， ＧＡｏ Ｙｉｎ－ｐｉｎｇ， ＸＵ Ｄｏｎｇ－ｃｈａｎｇ
（Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ ａｎｄ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ，Ｈｅｆｅｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈｅｆｅｉ ２３０００９，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ￣Ｔｗｏ—ｗｈｅｅｌｅｄ ｍｏｂｉｌｅ ｒｏｂｏｔ ｉｓ ａ ｔｙｐｉｃａｌ ｎｏｎｈｏｌｏｎｏｍｉｃ ｕｎｄｅｒａｃｔｕａｔｅｄ ｓｙｓｔｅｍ．Ａｉｍｉｎｇ ａｔ ｔｈｅ
ｐａｔｈ ｔｒａｃｋｉｎｇ ａｎｄ ｐｏｓｔｕｒｅ ｂａｌａｎｃｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｐｒｏｂｌｅｍ ｏｆ ｔｈｉｓ ｋｉｎｄ ｏｆ ｍｏｂｉｌｅ ｒｏｂｏｔ。ａ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｉｓ
基于遗传算法的欠驱动机器人运动规划
基于遗传算法的欠驱动机器人运动规划
刘庆波;余跃庆;王浩
【期刊名称】《控制工程》
【年(卷),期】2008(15)1
【摘 要】研究了平面欠驱动机器人的非完整运动规划问题,建立欠驱动机器人系统动力学模型,提出了一种利用遗传算法(GA)解决欠驱动机器人运动规划的方法。引入部分稳定控制器的思想,提出基于能量最优的评价函数,利用遗传算法对评价函数进行离线优化,得到有关部分稳定控制器的切换规则。此方法可以推广到任意平面欠驱动机器人的规划问题上,以平面3R欠驱动机器人为研究对象进行了数值仿真,仿真结果验证了该方法的有效性。
【总页数】4页(P64-67)
【关键词】运动规划;欠驱动;非完整系统;遗传算法
【作 者】刘庆波;余跃庆;王浩
【作者单位】北京工业大学机电学院
【正文语种】中 文
【中图分类】TP24
【相关文献】
1.基于样条逼近与曲线拟合的欠驱动仿生机器人运动规划 [J], 厉虹;张甜
2.基于遗传算法的欠驱动双足机器人步态优化设计 [J], 师名林
3.基于遗传算法的欠驱动机器人避障规划与轨迹跟踪 [J], 刘庆波;余跃庆;苏丽颖 4.欠驱动刚体航天器姿态运动规划的遗传算法 [J], 戈新生;陈立群;刘延柱
5.一种基于遗传算法的欠驱动机器人避障运动规划新方法 [J], 刘庆波;余跃庆;苏丽颖
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两3R欠驱动机械臂运动学分析及仿真的开题报告
两3R欠驱动机械臂运动学分析及仿真的开题报告
一、选题背景
机器人技术的发展给生产和生活带来了广泛的影响。机器人的应用领域越来越广泛，例如在装配线、医学手术、教育等领域都有应用。而机械臂作为机器人中的重要部件，其运动学分析和控制也成为机器人技术的核心。然而，针对某些类型的机械臂，例如两3R欠驱动机械臂，在运动学分析和仿真方面研究相对较少，需要进一步深入研究。
二、研究目的
本课题的研究目的是对两3R欠驱动机械臂的运动学进行分析和仿真研究，探索其逆解和正解问题，并针对性地设计运动控制方法，进一步提高机械臂的运动精度和运动范围。具体任务包括：
1.对两3R欠驱动机械臂的运动学模型进行建立和分析，包括正解和逆解问题。
2.开发仿真平台，实现两3R欠驱动机械臂的运动学仿真。
3.探索针对两3R欠驱动机械臂的运动控制方法，提高机械臂的运动精度和范围。
三、研究方法
本课题的研究方法主要包括理论分析和计算机仿真两方面。
1.理论分析：根据机械臂的几何结构和运动学方程，分析机械臂正解和逆解问题，并得到机械臂关节角度的计算公式。
2.计算机仿真：利用MATLAB或Simulink等软件，开发两3R欠驱动机械臂的运动学仿真平台，完成对机械臂运动学的仿真及数据的分析。
四、研究意义 本课题所研究的两3R欠驱动机械臂运动学分析及仿真，对于进一步完善机器人技术的体系结构和应用，提升机器人的功能与性能，具有重要的意义。另外，本课题的研究内容对于工业自动化、医疗手术和教育等领域的机器人应用也具有一定的启示作用。
五、研究计划
1.前期准备（1个月）：学习机器人的相关知识和技术，熟悉MATLAB或Simulink等软件的使用。
2.理论分析（2个月）：根据机械臂的几何结构和运动学方程，分析机械臂的正解和逆解问题，得到机械臂关节角度计算公式。
3.仿真平台开发（2个月）：运用MATLAB或Simulink等软件，开发两3R欠驱动机械臂的运动学仿真平台。
欠驱动跳跃机器人运动规划 2
第３８卷第ｌ０期 ２０１１年１０月 应 用 科 技 Ａｐｐｌｉｅｄ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｖ０１．３８．Ｎｏ．１０ ０ｃｔ．２０１１ ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００９－６７１Ｘ．２０１１．１０。００３ 欠驱动跳跃机器人运动规划 刘载淳，李齐悦，张校东，李林 （哈尔滨工程大学机电工程学院，黑龙江哈尔滨１５０００１） 摘要：通过对欠驱动跳跃机器人的动力学模型的分析，结合机器人的雅克比矩阵及主被动关节之间的动力耦 合关系，推导出了欠驱动机器人的伪逆运动学方程，对运动轨迹的优化数学模型进行降阶处理，并进行了运动 规划的仿真分析．仿真结果分析表明了该方法的正确性及有效性，该运动规划方法对其他跳跃机器人的运动规 划及控制方法的研究具有一定的理论参考价值，同时，亦可推广至平面多自由度的欠驱动机器人轨迹规划的问 题上． 关键词：伪逆方程；欠驱动跳跃机器人；动力耦合关系；运动规划 中图分类号：ＴＰ２４２ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００９－６７１Ｘ（２０１１）１０－０００９－０４ Ｍｏｔｉｏｎ ｐｌａｎｎｉｎｇ ｏｆ ａｎ ｕｎｄｅｒ－ａｃｔｕａｔｅｄ ｈｏｐｐｉｎｇ ｒｏｂｏｔ ＬＩＵ Ｚａｉｃｈｕｎ，ＬＩ Ｑｉｙｕｅ，ＺＨＡＮＧ Ｘｉａｏｄｏｎｇ，ＬＩ Ｌｉｎ （Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈａｒｂｉｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈａｒｂｉｎ １５０００１，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｄｙｎａｍｉｃ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ａｎ ｕｎｄｅｒ—ａｃｔｕａｔｅｄ ｈｏｐｐｉｎｇ ｒｏｂｏｔ ｉＳ ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｗｉｔｈ Ｊａｃｏｂｉａｎ ｍａｔｒｉｘ ａｎｄ ｄｙｎａｍｉｃ ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｅｆｆｅｃｔ ｂｅｔｗｅｅｎ ａｃｔｉｖｅ ｉｏｉｎｔｓ ａｎｄ ｐａｓｓｉｖｅ ｉｏｉｎｔｓ，ｐｓｅｕｄｏ．ｉｎｖｅｒｓｅ ｅｑｕａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｔｈｅ ｕｎｄｅｒ．ａｃｔｕａｔｅｄ ｔｏ— ｂｏｔ ａｒｅ ｄｅｒｉｖｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｏｒｄｅｒ ｏｆ ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｍｏｔｉｏｎ ｐｌａｎｎｉｎｇ ｉｓ ｒｅｄｕｃｅｄ．Ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓ ｏｎ ｔｈｅ ｕｎｄｅｒ—ａｃｔｕａｔｅｄ ｈｏｐｐｉｎｇ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｓｈｏｗ ｔｈｅ ｖａｌｉｄｉｔｙ ａｎｄ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ ｐｒｏｐｏｓｅｄ．ｗｈｉｃｈ ｉＳ ｏｆ ｓｏｍｅ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｖａｌｕｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ｍｏｔｉｏｎ ｐｌａｎｎｉｎｇ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ ｏｔｈｅｒ ｈｏｐｐｉｎｇ ｒｏｂｏｔｓ．Ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｃａｎ ａｌｓｏ ｂｅ ｅｘｔｅｎｄｅｄ ｔｏ ｔｈｅ ｍｏｔｉｏｎ ｐｌａｎｎｉｎｇ ｐｒｏｂｌｅｍ ｏｆ ｍｕｌｔｉ．ＤＯＦ ｕｎｄｅｒ．ａｃｔｕａｔｅｄ ｐｌａｎａｒ ｒｏｂｏｔｓ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｐｓｅｕｄｏ・・ｉｎｖｅｒｓｅ ｅｑｕａｔｉｏｎｓ；ｕｎｄｅｒ－・ａｃｔｕａｔｅｄ ｈｏｐｐｉｎｇ ｒｏｂｏｔ；ｄｙｎａｍｉｃ ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｅｆｆｅｃｔ；ｍｏｔｉｏｎ ｐｌａｎｎｉｎｇ 含有被动关节的欠驱动机器人具有质量轻、节 能等优势，近年来对欠驱动机器人的研究越来越受 到重视，但目前为止对自由的被动关节欠驱动机器 人运动规划的研究仍是一个开放课题Ｌ１ Ｊ．在欠驱动 机器人运动规划问题的研究上，最常利用主被动关 节之间的耦合和适当的控制策略实现特定的运动， 何广平等 利用被动冗余度机器人的“非完整自运 动”特性进行了运动轨迹的优化研究，刘庆波等 ］ 运用遗传算法进行运动规划寻优的研究，邓秀娟 等ｌ３ 应用位形流形最小嵌人模型，对欠驱动机器人 进行动力学建模和控制研究．在研究对象上，主要对 平面２Ｒ机构（根部位主动关节）、航天器及双足被 动步行机器人进行研究 ．文中以欠驱动伪刚体 的跳跃机构为研究对象，通过建立欠驱动伪刚体跳 跃机构的动力学模型，利用主被动关节的动力耦合 关系及通过推导所得到的欠驱动机器人伪逆方程， 用优化的思想对机器人的跳跃运动进行规划． １ 欠驱动跳跃机器人模型 如图１所示，跳跃机器人是由躯干、大腿、小腿、 脚掌及无质量的脚趾组成．躯干与大腿的铰接处组 成髋关节，大腿与小腿的铰接处组成膝关节，这２个 关节可由电机直接驱动，是主动关节．小腿与脚掌的 铰接处组成踝关节，脚掌与脚趾的铰接处组成趾关 收稿日期：２０１１－０７－０３． 基金项目：国防科学技术工业局基础研究基金资助项目（４０１０８０６０３０２），中央高校基础教育专项基金资助项目（ＨＥＵＣＦ１００７１６） 作者简介：刘载淳（１９８７一），男，硕士研究生，主要研究方向：机器人机构学及动力学仿真分析，Ｅ．ｍａｉｌ：ｌｉｕｚａｉｅｈｕｎ８７＠ｙａｈｏｏ．ｃａ．
一种新型欠驱动型并联机器人的运动学分析与仿真
龙源期刊网
一种新型欠驱动型并联机器人的运动学分析与仿真
作者：颜文旭 宁金 孙强 于振中
来源：《河北科技大学学报》2017年第02期
摘要：传统并联机器人具有自由度数量与驱动电机数量相等的问题，效率低下。为解决这些问题，提出了一种基于传统并联机器人的新型欠驱动型并联机器人。分析了欠驱动型并联机器人的结构特点与工作原理，应用空间解析几何与向量代数法，推导了机器人的运动学正解与反解。建立了运动学模型，应用MATLAB验证了运动学正解与反解的正确性，确立了最优工作空间。仿真结果表明，驱动电机数量为3时实现了机器人3或4自由度切换的功能，提高了机器人的抓取效率，具有工作空间大、运行速度快、定位精度高、制造成本低等特点，具有广泛的工业应用前景。
关键词：机器人控制；欠驱动；自由度切换；运动学模型；仿真
中图分类号：TH122文献标志码：A
收稿日期：20161203；修回日期：20161223；责任编辑：冯民基金项目：江苏省普通高校研究生实践创新计划项目（SJLX15_0570）第一作者简介：颜文旭（1971—），男，福建仙游人，副教授，主要从事电力电子技术及智能控制、电力系统及其自动化、机电一体化及运动控制系统等方面的研究和开发工作。Email：ywx03@
随着中国经济的高速发展、劳动力成本的不断提高，以物联网加模式（信息化、自动化）为特征的新型制造业正在兴起。研制满足新型制造业自动化流水线的机械手已然成为一种趋势。传统工业机器人分为串联机器人与并联机器人两种。相对于串联机器人，并联机器人[13]具有刚度大、负载能力强、精度高、自重负荷比小、动力性能好等一系列优点，因此并联机器人在工业上得到广泛应用。自STEWART[4]发明六自由度并联机构，至HUNT[5]提出将其机构应用至机器人，新型并联机器人结构的研究得到国内外众多学者的青睐。中国燕山大学黄真教授[6]较早地对并联机器人结构模型进行了研究，随后清华大学、哈尔滨工业大学、东北大学[7]、浙江大学等单位也陆续研制了结构各异的并联机器人。并联机器人主要应用于医疗、工业机器人以及并联机床等领域[810]。其中应用最成功的领域是工业机器人与并联机床。 机器人的运动学是机器人动力学、机器人控制和规划的基础，在机器人研究中占有重要地位。并联机器人的反向运动学相对简单而正向运动学[11]较为复杂。正向运动学分析分为数值法与解析法两种。典型的数值法有非线性方程组消元搜索法[12]、神经网络算法等。哈尔滨工业大学的赵杰等[13]运用空间几何学及矢量代数法求解并联机器人的正解，但数值法计算速度较慢并且不能保证获得全部解。相对于数值法，解析法可获得所有可能解，但推导过程复杂。国内外学者求解正解的解析解都是基于特殊构型到一般构型的思路。北京邮电大学梁崇高教授等[14]对Stewart三角平台型6腿SPS并联机构作了复杂的求解；黄真教授等[15]则利用非线性方程龙源期刊网
全转动关节欠驱动手指机构及其运动学分析
第５３卷第１期
２０１７年１月 机械工程学报
ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ ＶＯ１．５３ ＮＯ．１
Ｊａｎ． ２０１７
ＤｏＩ：ｌＯ．３９０１／ＪＭＥ．２０１７．０１．０４７
全转动关节欠驱动手指机构及其运动学分析水
吴立成 孔岩萱 李霞丽
（中央民族大学信息工程学院北京 １０００８１）
摘要：欠驱动机器人手指结构紧凑、抓持力大、操作简单，在工业机器人、拟人机器人、人体假肢及航天机器人等领域都具
有广泛的应用前景。提出一种新型的全转动关节连杆式欠驱动机器人手指机构，提出一种基于最小阻尼原理推导欠驱动手指
机构在不同抓持状态下（即与目标物体的不同接触情况下）的等效机构，进而基于等效机构实现运动学分析的方法。采用所提
出的方法推导了所提出机构的运动学方程和极限运动位置求解方程。最后通过Ｍａｔｌａｂ编程进行数值仿真，验证了方法的正
确性和有效性。仿真结果表明所提出的欠驱动结构具有较大的可达空间，并可实现良好的抓物轨迹。
关键词：欠驱动手指机构；等效机构；运动学分析 中图分类号：ＴＰ２４１
Ｆｕｌｌｙ Ｒｏｔａｔｉｏｎａｌ Ｊｏｉｎｔ Ｕｎｄｅｒａｃｔｕａｔｅｄ Ｆｉｎｇｅｒ Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ａｎｄ Ｉｔｓ
Ｋｉｎｅｍａｔｉｃｓ Ａｎａｌｙｓｉｓ
ＷＵ Ｌｉｃｈｅｎｇ ＫＯＮＧ Ｙａｎｘｕａｎ ＬＩ Ｘｉａｌｉ
（Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｍｉｎｚｕ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｃｈｉｎａ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １ ０００８ １）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｕｎｄｅｒａｃｔｕａｔｅｄ ｆｉｎｇｅｒ ｈａｓ ｃｏｍｐａｃｔ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｌａｒｇｅ ｇｒａｓｐｉｎｇ ｆｏｒｃｅ ａｎｄ ｓｉｍｐｌｅ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ．Ｉｔ ｈａｓ ａ ｗｉｄｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｐｒｏｓｐｅｃｔ
ｉｎ ｔｈｅ ｆｉｅｌｄｓ ｏｆ ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ ｒｏｂｏｔ，ｈｕｍａｎｏｉｄ ｒｏｂｏｔ，ｈｕｍａｎ ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ ｌｉｍｂ ａｎｄ ｓｐａｃｅ ｒｏｂｏｔ．Ａ ｎｅｗ ｔｙｐｅ ｏｆ ｆｕｌｌｙ ｒｏｔａｔｉｎｇ ｊｏｉｎｔ ｌｉｎｋａｇｅ－ｂａｓｅｄ ｕｎｄｅｒａｃｔｕａｔｅｄ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｉｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ，ａｎｄ ａ ｎｅｗ ｍｅｔｈｏｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｍｉｎｉｍｕｍ ｄａｍｐｉｎｇ ｉｓ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ ｔｏ ｒｅａｌｉｚｅ ｔｈｅ ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ ｔｈｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｃｏｎｔａｃｔ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｏｆ ｔｈｅ ｆｉｎｇｅｒ，ｔｈｅｎ ｔｏ ｒｅａｌｉｚｅ ｔｈｅ ｋｉｎｅｍａｔｉｃａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ．Ｔｈｅ ｋｉｎｅｍａｔｉｃ ｅｑｕａｔｉｏｎｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｌｉｍｉｔ ｍｏｖｉｎｇ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｆｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ａｒｅ ｄｅｒｉｖｅｄ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｍｅｔｈｏｄ．Ｔｈｅ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｉｓ ｃａｒｒｉｅｄ ｏｕｔ ｂｙ Ｍａｔｌａｂ ｐｒｏｇｒａｍ．Ｔｈｅ ｃｏｒｒｅｃｔｎｅｓｓ ａｎｄ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓ ｏｆ ｔｈｉｓ ｍｅｔｈｏｄ ａｒｅ ｖｅｒｉｆｉｅｄ．Ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｈａｓ ａ ｌａｒｇｅ ｓｐａｃｅ ａｎｄ ｃａｎ ａｃｈｉｅｖｅ ｇｏｏｄ ｇｒａｓｐ
欠驱动式移动机器人构型综合
・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 （中国航天科工集团公司第三研究院，北京１０００７４）
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法的基础上对欠驱动 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 中图分类号：ＴＰ２４２ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００７—４４１４（２０１４）０１—００２１—０６ Ｔｙｐｅ Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ ｏｆ Ｕｎｄｅｒａｃｔｕａｔｅｄ Ｍｏｂｉｌｅ Ｒｏｂｏｔ ’
ＸＩＥ Ｚｈｅｎｇ．ＺＨＡＮＧ Ｘｉｎ－ｈｕａ （Ｔｈｅ Ｔｈｉｒｄ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ａｃａｄｅｍｙ，ＣＡＳ１Ｃ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００７４，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｉｔｈ ｍｏｂｉｌｅ ｒｏｂｏｔ ｂｅｉｎｇ ａｐｐｌｉｅｄ ｗｉｄｅｌｙ，ｉｔ Ｓ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｔｏ ｅｎｒｉｃｈ ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｓｍｓ ｏｆ ｍｏｂｉｌｅ ｒｏｂｏｔ ｆｏｒ ｍｏｒｅ ｓｐｅｃｉｆｉｃ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ．Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ Ｙａｎ Ｓ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｃｒｅａｔｉｖｅ ｄｅｓｉｇｎ ｐｒｏｃｅｄｕｒｅ，ｔｈｅ ｕｎｄｅｒａｃｔｕａｔｅｄ ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎ ｏｆ ｍｏｂｉｌｅ ｒｏｂｏｔ ｉｓ ｒｅｄｅｓｉｇｎｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｄｕｒｅ Ｓ ｉｎｓｕｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｉｓ ｃｏｍｐｌｅｔｅｄ．Ｓｔａｒｔｉｎｇ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｍｏｓｔ ｓｉｍｐｌｉｆｉｅｄ ｒｏｃｋｅｒ－ｂｏｇｉｅ ｍｅｅｈａ— ｎｉｓｍ，ｓｅｖｅｒａｌ ｍｅｔｈｏｄｓ ａｒｅ ｕｓｅｄ ｔｏ ｐｒｏｐｏｓｅ ｎｅｗ ｍｅｃｈａｎｉｓｍｓ ｏｆ ｕｎｄｅｒａｃｔｕａｔｅｄ ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎ，ｓｕｃｈ ａｓ ａｄｄｉｎｇ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｃｏｍｐｏ— ｎｅｎｔｓ ｔｏ ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ，ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ ｔｈｅ ｎｕｍｂｅｒ ｏｆ ｗｈｅｅｌｓ ｔｈａｔ ｉｎｔｅｒａｃｔｉｎｇ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｇｒｏｕｎｄ ａｎｄ ａｕｇｍｅｎｔｉｎｇ ｔｈｅ ＤＯＦ ｏｆ ｔｈｅ ｕｎ— ｄｅｒａｃｔｕａｔｅｄ ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎ．Ａ ｃｏｕｐｌｅ ｏｆ ｔｙｐｉｃａｌ ｎｅｗ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｍｅｃｈａｎｉｓｍｓ ａｒｅ ｐｉｃｋｅｄ ｏｕｔ ｔｏ ｅｖａｌｕａｔｅ ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ ｌｏｃｏｍｏｔｉｏｎ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｉｎ ｔｈｅ ｌａｓｔ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔ ｐｒｏｖｉｄｅｓ ｎｅｗ ｍｅｃｈａｎｉｓｍｓ ａｎｄ ｍｅｔｈｏｄｓ ｆｏｒ ｍｏｂｉｌｅ ｒｏｂｏｔ ｄｅｓｉｇｎｉｎｇ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｕｎｄｅｒａｃｔｕａｔｅｄ；ｍｏｂｉｌｅ ｒｏｂｏｔ；ｔｙｐｅ ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ；Ｙａｎ Ｓ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｃｒｅａｔｉｖｅ ｄｅｓｉｇｎ ｐｒｏｃｅｄｕｒｅ
欠驱动双足行走机器人
摘要
I
摘要
上世纪八十年代，加拿大学者T.McGeer提出了被动动力学理论，并由此有了“机器人被动行走”的概念。T.McGeer设计了一类简单的双足无动力行走机器人，其行走是在小倾角斜面上由上而下靠自身重力驱动实现的。T.McGeer对其被动机器人模型行走动态和稳定性进行了研究，由此开启了双足行走机器人研究的有一领域——欠驱动机器人。无动力双足机器人动力特性的研究有助于揭示人类双足行走的内在机理，解释人类行走稳定性、鲁棒性、高效率的原因。
本文首先对Goswami提出的compass-like机器人模型进行了建模，给出了机器人行走过程中摆动阶段和碰撞阶段的动态方程的具体形式，在状态空间相平面上详细阐述了典型行走的周期过程，对其行走过程中的能量变化以及影响稳定极限环形成的参数进行了分析与仿真实验。
然后运用Garcia提出的摆动阶段的非线性微分方程进行二次线性化分析方法研究了初值的解决方法。为了解释双足被动机器人的步态稳定性问题，我们从动力学的角度，提出了庞加莱映射的分析方法，给其步态行走极限环性稳定性进判定方法和局部稳定性分析。
本文的研究重点是欠驱动双足行走机器人的控制策略。欠驱动机器人的控制策略主要采用基于反馈的控制原理，由于欠驱动机器人行走的非线性特性，故用非线性控制理论来实现控制策略。目的是通过增加控制策略，改善机器人步态行走极限环的稳定性，即扩大其收敛域，提高收敛速度。本文重点研究了四种常摘要
II
用控制策略，即：基于能量的控制方法、角度不变的控制方法、基于能量的角度不变控制方法、基于能量行走平均速度控制方法。欠驱动机器人行走的控制方法是对人类行走控制的简化与模拟，因此他对仿人型双足机器人控制方法的研究具有重要的意义。本文主要对前人的控制方法加以论述，在前人研究的基础上又进行了控制方法的深入分析和研究。本文的研究对双足机器人行走控制策略理论的研究有一定的帮助。
最后，在总结全文的基础上，同时提出了若干有待深入研究的问题。
欠驱动两指多指杆机器人手及其运动学分析_叶军
文章编号:1001-2354(2001)11-0014-02
欠驱动两指多指杆机器人手及其运动学分析X
叶 军
(绍兴文理学院机电系,浙江绍兴 312000)
摘要:在许多工业应用中,常要求机器人手结构简单、操作灵巧、控制容易,且具有较高的操作适应性。研制的欠驱
动两指多指杆机器人手,仅用一台驱动电机就能以直指或曲指方式履行各种工业操作任务。在此描述了欠驱动两指多
指杆手的结构、工作原理与手指运动学分析,与现有的欠驱动机器人手相比,这种多指杆机器人手的结构更为简单紧凑,
且能减少控制的复杂性、重量和成本,并能实现多功能地抓取不同物体的能力。
关键词:欠驱动机器人手;两指多指杆手;运动学分析
中图分类号:TP24 文献标识码:A
1 引言
在许多工业应用中,常要求机器人手结构简单、操
作灵巧、控制容易,且具有较高的操作适应性。由于欠
驱动机械手能简化控制、减轻重量、降低能耗及制作成
本低等优点,近几年更引起国内外研究者的研究兴趣。
对此,作者在已开发的欠驱动多指杆机器人手[1]的基
础上,又研制出具有结构、控制更加简单的电动型欠驱
动多指杆机器人手,它仅用一台电动机就可驱动两指
或多指,手完成不同的操作任务,具有直指(指尖)抓取
或曲指(包容抓取物体的能力。文中将描述这种机器
人手的结构、工作原理与运动学分析。
2 多指杆手的结构与工作原理
两指多指杆手的每个手指具有两个自由度,仅用
一个驱动器驱使两个手指运动,它的结构简图如图1、
图2所示。
图1 欠驱动两指多指杆 图2 手指机构简图
机器人手的结构简图
图1中,两手指装在手掌上,电机驱动螺旋副使滑块在导杆上作往复移动,滑块通过连杆驱动手指摆动,
实现手指的开闭操作。图2可以清楚地说明欠驱动手
指机构的工作过程。为了获得机构的确定运动,两指
杆(指杆4与指杆6)联接转动副内采用弹簧及机械限
位方式,允许手指在一定范围内运动,以避免不希望的
手指弯曲或其它不希望的运动影响。当没有外力作用
在指杆6、4上时,两指杆在弹簧力与机械限位作用下,