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基于MPC的仿生尺蠖机器人运动控制
1
作者 杜巧玲 薛成泽 郑伟 《沈阳工业大学学报》 北大核心 2025年第1期124-129,共6页
【目的】随着科技的日新月异,人们的生活环境也在发生着巨大的变化。工业化的聚集以及人口密度的增加促使建筑不断向上增高或向下延伸,出现了很多人们不方便到达或是无法到达的地方,但这些地方机器人却可以到达。目前机器人最热门的研... 【目的】随着科技的日新月异,人们的生活环境也在发生着巨大的变化。工业化的聚集以及人口密度的增加促使建筑不断向上增高或向下延伸,出现了很多人们不方便到达或是无法到达的地方,但这些地方机器人却可以到达。目前机器人最热门的研究方向之一是非常规结构机器人,通过精简自身的冗余结构以及体积,增加对应的功能结构,使机器人可以在不适宜人们工作的地方代替人们进行相应的工作。【方法】研制了一款适合攀爬的仿尺蠖机器人。针对优化尺蠖机器人在运动过程中的步态问题,提出了基于模型预测控制(MPC)的仿生吸盘式尺蠖机器人运动控制方法。根据章鱼的吸盘结构设计了仿章鱼负压式吸盘以及吸盘控制模型,利用气压传感器反馈的数据实现闭环控制;基于MPC仿生吸盘控制器提出了基于模型预测仿生吸盘控制的仿尺蠖机器人运动步态。【结果】机器人仿真实验和测试结果表明,基于MPC仿生吸盘控制器(MPC-BSC)在吸盘气压优化上相较PID控制有明显优势,MPC-BSC仿尺蠖机器人可以在水平和竖直的瓷砖平面完成“Ω”型运动步态。本文的主要研究结果如下:设计了仿章鱼负压式吸盘,并提出了吸盘控制模型。在负压控制下,可以调整吸盘的吸附压力以满足躯干结构运动对吸附力的需求。提出了基于MPC的仿生吸盘控制算法,该算法通过调节真空泵流速进而实现对吸盘吸附力的调节。设计了仿生吸盘式尺蠖机器人,其躯干结构安装了4个纵向伺服电机和2个横向伺服电机,可以实现“Ω”型运动步态和转向步态。提出了MPC-BSC的运动步态规划,实现“Ω”型运动步态和转向步态。实验测试了仿生吸盘的性能,验证边缘结构对仿生吸盘吸附力的作用。【结论】通过仿真实验测试了基于MPC的仿生吸盘控制算法的可行性,实验验证了仿尺蠖机器人可以在不同倾角、不同材质的平面上实现“Ω”型步态和转向步态。本文研制的仿生吸盘结构为机器人的吸附功能拓展了应用场景,降低了吸附功能的复杂性;提出的“Ω”型运动步态对异形机器人的运动具有很好的参考价值,使其能够在复杂地形下进行简单高效的运动。 展开更多
关键词 仿生吸盘 仿生尺蠖 机器人 运动规划 机械设计 电机控制 嵌入式系统 姿态控制
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仿生尺蠖墙壁爬行机器人设计
2
作者 罗剑荣 陈岗 《现代制造技术与装备》 2025年第3期26-28,共3页
在日常生活中,高空作业不可避免,人工高空外墙作业存在较大危险性。因此,提出一种墙壁爬行机器人的设计方案,参考尺蠖的“Ω”变形运动方式和体型柔软的特性,采用真空气泵作为驱动。建立三维立体模型样机,利用SolidWorks Simulation中... 在日常生活中,高空作业不可避免,人工高空外墙作业存在较大危险性。因此,提出一种墙壁爬行机器人的设计方案,参考尺蠖的“Ω”变形运动方式和体型柔软的特性,采用真空气泵作为驱动。建立三维立体模型样机,利用SolidWorks Simulation中的分析功能对机器人的主要运动部件进行受力分析和有限元计算,然后根据有限元分析结果来改进结构。最后,制作实验模型进行实地测试,验证总体设计方案的可行性和有效性,为墙壁爬行机器人的设计提供参考。 展开更多
关键词 墙壁爬行机器人 仿生 尺蠖
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高效能纸张生产软体尺蠖机器人设计与仿生运动研究 被引量：3
3
作者 屈彦雄 郑翔宇 《造纸科学与技术》 2024年第9期32-38,共7页
造纸厂机器人是一种具备自主导航、自主识别、自主决策和自主操作等多种能力的智能化造纸设备。为提升造纸厂机器人的设计灵活性,通过分析造纸厂机器人尺蠖行走机理,结合折纸结构,基于3D打印和硅胶脱模技术进行折纸型软体尺蠖机器人结... 造纸厂机器人是一种具备自主导航、自主识别、自主决策和自主操作等多种能力的智能化造纸设备。为提升造纸厂机器人的设计灵活性,通过分析造纸厂机器人尺蠖行走机理,结合折纸结构,基于3D打印和硅胶脱模技术进行折纸型软体尺蠖机器人结构设计。对这种软体尺蠖机器人设计方法进行分析,结果表明:该方法可有效完成折纸型软体尺蠖机器人结构设计,并制作软体尺蠖机器人,软体尺蠖机器人运行速度与加速度变化曲线,均非常平滑、无拐点,即该机器人运动稳定性较高,应变层长度越大,机器人位姿变化量越大;应变层长度越大,机器人位姿变化量越大;折叠单元数量与机器人运行速度具有正相关关系;最佳应变层长度为110mm,最佳折叠数量为8个。 展开更多
关键词 造纸机器人 3D打印 硅胶脱模技术 软体尺蠖机器人 仿生运动
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搜救机器人运动机理分析与仿真研究 被引量：3
4
作者 胡胜海 赵晓丽 《计算机仿真》 CSCD 北大核心 2015年第2期359-363,共5页
为了开发一种能够在废墟狭窄空间中运动的搜救机器人,模仿尺蠖结构和运动特征,提出了具有多自由度易变形的仿生尺蠖移动机器人。搜救机器人在灾难现场运动时环境复杂、障碍物多,针对机器人在瓦砾狭小的空间移动运动策略较难确定的问题,... 为了开发一种能够在废墟狭窄空间中运动的搜救机器人,模仿尺蠖结构和运动特征,提出了具有多自由度易变形的仿生尺蠖移动机器人。搜救机器人在灾难现场运动时环境复杂、障碍物多,针对机器人在瓦砾狭小的空间移动运动策略较难确定的问题,提出了一种通过分析仿生生物肌肉组织的机械性能获得运动策略的方法。数值仿真结果表明尺蠖生物运动能够满足机器人多自由度的变形运动,解决了运动策略问题,为仿生尺蠖移动机器人实现移动搜救功能提供运动控制理论基础。 展开更多
关键词 搜救机器人 仿生尺蠖 运动机理
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仿生尺蠖机器人的机构设计及仿真 被引量：2
5
作者 张运真 韩玉坤 《机械》 2014年第11期57-60,共4页
通过研究多种爬杆机器人的机构特点和性能,并观察分析节肢动物尺蠖行进步态的变化规律,确定了采用两套复合曲柄滑块机构和两套夹紧机构,模拟尺蠖沿杆体向上蠕动爬行的机构运动方案。利用软件CATIA建立了仿生机器人的三维机构模型,并在软... 通过研究多种爬杆机器人的机构特点和性能,并观察分析节肢动物尺蠖行进步态的变化规律,确定了采用两套复合曲柄滑块机构和两套夹紧机构,模拟尺蠖沿杆体向上蠕动爬行的机构运动方案。利用软件CATIA建立了仿生机器人的三维机构模型,并在软件MSC Sim Designer for CATIA V5中设置了仿生机器人各机构类型和参数等。采用step函数控制两套曲柄机构和锁紧机构的顺序运动,通过分析得到了尺蠖机器人的运动规律和动画,验证了机构方案的可行性。 展开更多
关键词 尺蠖 仿生 复合曲柄滑块机构 锁紧机构 动态仿真
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微型仿尺蠖软体机器人的设计与实验 被引量：12
6
作者 胡俊峰 林茂虎 王文慧 《传感器与微系统》 CSCD 北大核心 2021年第8期106-109,共4页
根据尺蠖的运动规律设计了一种微型仿尺蠖软体机器人。利用形状记忆合金(SMA)弹簧模仿尺蠖肌肉对机器人实现驱动,通过周期性电流驱动机器人实现连续爬行运动。为了验证设计的微型仿尺蠖软体机器人的可行性,制作了机器人样机,通过运动实... 根据尺蠖的运动规律设计了一种微型仿尺蠖软体机器人。利用形状记忆合金(SMA)弹簧模仿尺蠖肌肉对机器人实现驱动,通过周期性电流驱动机器人实现连续爬行运动。为了验证设计的微型仿尺蠖软体机器人的可行性,制作了机器人样机,通过运动实验测试机器人在鼠标垫、木板、纸板上的最大爬行速度,以及爬行速度与驱动电流的频率和占空比之间的关系。实验结果表明:所设计的微型仿生软体机器人在电流的周期性驱动下,可以模仿尺蠖完成连续爬行运动,最大爬行速度可达3.5 mm/s,说明了所设计的微型仿尺蠖软体机器人的可行性,为微型仿生机器人的进一步研究提供了参考。 展开更多
关键词 微型仿生机器人 形状记忆合金(SMA)弹簧驱动 尺蠖运动
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尺蠖式仿生微型机器人的结构和致动机理研究
7
作者 李宇鹏 孙洪胜 单彦霞 《中国机械工程》 EI CAS CSCD 北大核心 2012年第12期1423-1427,共5页
提出并设计了一种新型偏动式双程SMA驱动器,以此驱动器为基础研发出一种靠交替摩擦自锁方式行走的尺蠖运动式仿生微型机器人。提出一种四杆机构无关节新型腿,这种新型腿可以有效改变SMA驱动器输出力的方向。分析了四杆机构新型腿的摩擦... 提出并设计了一种新型偏动式双程SMA驱动器,以此驱动器为基础研发出一种靠交替摩擦自锁方式行走的尺蠖运动式仿生微型机器人。提出一种四杆机构无关节新型腿,这种新型腿可以有效改变SMA驱动器输出力的方向。分析了四杆机构新型腿的摩擦自锁机理,并求解出腿实现摩擦自锁的条件,使微型机器人能可靠地实现摩擦自锁作用下的稳步行进。阐述了新型微型机器人的定向运动机理,对微型机器人的尺蠖式收缩和伸张运动规律、步幅、频率等进行了分析及求解。 展开更多
关键词 仿生微型机器人 SMA驱动器 尺蠖运动 四杆机构腿 摩擦自锁
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仿尺蠖微机器人的设计与实验 被引量：5
8
作者 王文慧 胡俊峰 《传感器与微系统》 CSCD 2020年第5期90-93,共4页
根据尺蠖运动规律设计了新型微机器人,模仿尺蠖躯体,设计能实现弯曲变形的躯干结构,采用形状记忆合金(SMA)弹簧模仿相当于尺蠖肌肉对躯干结构进行驱动。为了验证所设计仿尺蠖微机器人的合理性,制作了SMA弹簧以及微机器人样机。通过热力... 根据尺蠖运动规律设计了新型微机器人,模仿尺蠖躯体,设计能实现弯曲变形的躯干结构,采用形状记忆合金(SMA)弹簧模仿相当于尺蠖肌肉对躯干结构进行驱动。为了验证所设计仿尺蠖微机器人的合理性,制作了SMA弹簧以及微机器人样机。通过热力学分析确定了微机器人的控制参数。搭建实验测试系统进行实验,实验结果表明:微机器人加热时间为2.7 s时,爬行速度最大值达到4.1 mm/s,所设计微机器人能仿生尺蠖运动进行运动,说明了所设计的微机器人的可行性,为微机器人的设计提供新的思路。 展开更多
关键词 微机器人 仿生机器人 形状记忆合金(SMA)弹簧 尺蠖运动
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