针对轮式机器人轨迹跟踪问题,提出了一种利用滑模变结构算法构建的双环轨迹跟踪控制系统。在基于轮式机器人运动学模型基础上,针对该非线性欠驱动系统采用滑模变结构算法设计了能够保证全局范围内渐近稳定的轨迹跟踪控制器,并构建了双环控制系统。通过内环系统控制角速度,实现对方向角的跟踪;外环控制器得到控制角之后实现对速度的控制,使机器人达到期望位姿状态。文中利用Lyapunov稳定性理论对所设计的闭环系统进行了稳定性分析,并通过仿真进一步验证了该控制系统的有效性。

欠驱动手爪抓取的性能主要由其机构设计所决定的,然而各关节的几何尺寸参数和作用在关节上的力矩对包络抓取的稳定影响是未知的,面向多自由度欠驱动机构的包络抓取稳定性研究仍存在诸多难题。提出了一种以接触力相等为目标函数的方法,以传动角和传动比为约束条件,确定欠驱动连杆关节几何参数,设计连杆欠驱动机构。并建立其优化设计模型,利用目标优化函数求解了在约束条件下的最优解。为进一步优化关节尺寸几何参数和驱动参数以及结构设计提供了一种有效的方法。

传统攀爬机器人的抱持机构都是采用全驱动的机构,具有结构复杂,控制繁琐,无自适应的缺点。为了改变这种状态,提升攀爬机器人抱持机构的抱持性能,设计了一种基于绳驱式欠驱动原理的抱持机构,具有结构简单,驱动源较少,自适应好的优点。同时对此欠驱动机构进行静力学模型的建立,并运用ADAMS/Cable模块对欠驱动手爪进行运动学以及动力学仿真分析。此仿真方法为绳驱式欠驱动手爪仿真提供了一种新的方法,并通过仿真验证轮手抱持杆件的可行性,从而验证了欠驱动手爪作为攀爬机器人抱持机构的可行性。

针对机器人末端夹具多功能化的需求,提出了一种新型欠驱动机械手结构。该机械手最大创新点在于其末端指节完全被动包络,提升了抓取稳定性。对其进行抓取姿态分析、稳定性分析,验证方案可行性,并验证不同物体抓取姿态,对控制策略研究提出展望。

针对市场上灵巧手结构复杂、体积大等弊端,设计了具有欠驱动的三指智能灵巧手,实现一个电动机控制2个关节运动。可分别控制3根手指,能够适应异形物体抓取,机械自锁的结构可提高抓取可靠性。灵巧手内部集成多种传感器,可测量指尖力矩和关节运行角度,通过软件算法实现掉落感知、防脱落、防碰撞和人机协作等功能。在硬件方面设计了驱控一体板卡,大大缩小了灵巧手体积。经过两代样机研制,验证了智能三指灵巧手功能的可靠性。

设计了一种欠驱动变电站鸟窝清除装置,可以解决当前变电站鸟类筑巢、随意排泄等问题造成的变电站内的电气设备腐蚀及断电等严重隐患,避免了工作人员在高空作业过程中可能会出现的人身伤亡事故,提高清除作业的安全性。基于欠驱动原理设计环状均布三夹爪三关节机械手,根据几何关系对机械手进行静力学分析。该清除装置利用实时视频监视系统,配合机械手及绝缘牵引机构实现安全精准作业。

以一种串联的欠驱动机器人为研究对象,设计一种优化机器人末端控制机构,并在此基础上建立其运动学模型。提出在确定运动轨迹下,以控制机器人末端对轨迹的跟随性为目标,通过多关节配合,实现机器人末端工具对曲面的柔性跟踪。实验证明:该机器人能够按照指定的轨迹运动,并且在被动轴的作用下,机器人末端可以与跟踪曲面保持良好的柔性接触。

欠驱动是指驱动数目小于机构自由度数的运动,利用欠驱动原理能够减少机构的驱动数从而降低机构复杂性。设计了一种欠驱动机器人末端夹持器,利用复合形法对其尺寸进行了优化设计,确定了合适的杆长比。通过ADAMS仿真出接触力变化曲线。为减小机构质量,样机采用3D打印并装配,运用NI数据采集卡及LabVIEW软件搭建接触力测量系统平台,进行抓取实验并测量接触力变化。实验证明,所设计的末端夹持器能平稳地实现抓取功能,且能够满足强度和硬度要求。

步态设计是双足机器人运动规划和动力学控制的关键问题。为了解决欠驱动双足机器人的步态设计问题,基于虚拟约束的思想,设计了3连杆欠驱动双足机器人的时不变参考步态,并以每步能耗为目标函数采用遗传算法对步态参数进行优化求解。基于有限时间反馈控制的动力学仿真表明,采用遗传算法得到的最优时不变参考步态,3连杆欠驱动双足机器人能够产生稳定周期行走,且具有较高的能量效率和较小的驱动力矩。建立的步态优化设计方法简单有效,可推广应用于其它类型的欠驱动双足机器人。

欠驱动机构是指驱动器数目少于机构本身自由度数目的机构。为了实现果蔬的无损采摘,通过理论分析、指端结构设计、传动机构设计和驱动机构设计与建模仿真,设计出一种灵活性高、结构简单的果蔬采摘欠驱动灵巧机械手。该机械手抓取物体时具有形状自适应能力,可完全包络物体实现无损采摘,且体积小、成本低,能够适应农业采摘自动化技术的推广。