空间站科学实验平台并联主动减振系统动力学建模研究

使用凯恩方法建立空间柜并联主动减振系统动力学模型,并对模型进行线性化,得到模型的状态空间形式。对空间微重力环境进行研究,设计并联主动减振机构对空间实验柜进行减振。空间微重力环境具有振动频率低、振动幅度小、随机振动强的特点,并联主动减振系统可以良好抑制振动干扰。并联主动减振机构由空间实验柜、直线型音圈电机、推杆、传感器组成,空间实验柜为减振对象。推杆通过柔性铰链将空间实验柜与空间站舱体连接到一起。控制器接受由传感器采集的空间实验柜加速度与相对位移信号,并驱动直线型音圈电机抵消干扰。最后,对系统线性化的动力学模型进行仿真,并与非线性动力学模型的仿真进行对比,对模型进行了验证。

一种模块化机器人的标定方法研究

对一种可重构模块化机器人系统进行定位精度标定方法研究。采用装配映射矩阵描述任意给定的模块化机械臂组成模块间的装配关系,并根据装配信息自动生成指数积形式的运动学模型。根据指数积公式中关节旋量坐标的理论值和实际值之间的伴随变换关系将运动学模型改写成包含关节约束条件的等价形式。对运动学方程取微分得到机械臂末端定位误差与关节旋量误差及零位位置误差间的线性化模型。给出了一种基于最小二乘法的运动学参数标定模型及其生成方法。通过程序生成一种5自由度模块化机械臂的标定模型并采用激光跟踪仪作为测量设备进行运动学参数标定试验。试验结果表明标定过程能够快速收敛到稳定值。测试结果表明经参数标定机器人的平均定位精度提高了近4倍。

一种机器人谐波减速器内嵌扭矩传感器的研制

针对模块化可重构机器人对关节扭矩测量的需求,研制了一种内嵌于谐波减速器的扭矩传感器。基于二阶纹波模型,对谐波减速器的柔轮进行了应力应变分析。提出了一种基于矢量抵消原理的扭矩传感器设计方法,设计了一种基于三矢量抵消的扭矩传感器,使一、二阶纹波及更多阶纹波甚至所有其他高阶纹波都通过矢量叠加而抵消,且通过使用冗余应变片提高测量精度。分析了系统的输出与扭矩的关系,并进行了传感器误差分析。研制了扭矩传感器物理样机和测试平台,并进行了加载测试,结果表明,研制的扭矩传感器具有较高的灵敏度和精度,精度与波发生器的转动有相关性。

一种模块化机器人的拓扑构型优化

采用遗传算法对一种关节型模块化机器人系统面向任务的拓扑构型优化设计问题进行了研究。对任意机械臂拓扑构型组成模块的类型、参数、数量及模块间连接顺序和装配方位等信息进行了二进制编码。按照性质不同将设计要求划分为刚性要求、柔性要求及刚性+柔性要求,对不满足刚性要求的拓扑结构通过过滤器处理以提高效率,对其他拓扑结构进行构型评价并以评价结果的加权和的形式建立构型评价函数。以自由度最小为主要优化目标,结合遍历法和遗传算法给出一种拓扑构型优化设计方法。构型优化实验验证了该方法的有效性。

微创血管介入手术导管辅助机器人自整定模糊PID控制

传统的微创血管介入手术,医生长时间遭受大量射线的辐射,会对医生造成一定的损伤。而用手术机器人代替医生操作导管能够克服上述缺点。为此,针对微创血管介入手术导管辅助机器人系统,首先运用D-H法建立了导管运动学模型,以便获得导管近端到导管末端的运动传递关系,接着选择无刷直流电机作为机器人关节执行器,采用自整定模糊PID控制方法来适应血管介入手术过程中系统参数变化及不确定性因素的影响,实现从端辅助机器人精确快速地跟踪主手的控制指令,进而提高系统的控制精度。仿真结果表明,与传统PID控制相比,自整定模糊PID控制方法能够快速跟踪系统的指令,使系统的跟踪误差减小到0.3mm以下。

AUV协同设计平台中多任务流调度算法研究

对AUV协同设计平台中多个任务流的调度问题进行建模,将其转换为分布式计算环境下的独立任务在线调度问题。针对系统异构和任务流具有优先级属性的特殊性,提出了一种基于预测的多任务流调度算法,采用统计和预测的方法评估各工作站执行任务的效用,并设计优先级策略和暂停调度策略,保证具有较高优先级的任务流较早分配和执行。实验结果表明,该算法在参数选取适当的情况下,性能优于传统的MCT和MET任务调度算法。

变胞机构的等效阻力梯度模型及其设计方法

针对实用约束变胞机构在变胞全过程中的构型转换、构型保持和运动时序问题,引入变胞机构阻力梯度的概念,将约束变胞全过程的调控转化为变胞运动副等效阻力梯度调控的过程,探索实用约束变胞机构设计新方法。通过建立变胞机构的运动循环图,获取约束变胞运动副基于任务的运动规律和对应约束力或约束力矩的联系。通过将约束力与约束力矩等效,定义一种归一化的变胞副的等效阻力系数函数,进而建立变胞机构的等效阻力梯度模型,揭示了变胞运动副的等效阻力、约束特点、约束形式和结构形式的内在联系。以超高压输电线路断股修复机器人的变胞捋线机构的设计为例,演示了基于等效阻力梯度模型的约束变胞机构的设计方法,结果表明提出的设计理论和设计方法是可行和实用的。

基于随机抽取一致性的稳健点云平面拟合

针对常用的平面拟合方法在点云数据存在误差或异常值时产生拟合不稳定的现象,提出了结合最小二乘法的随机抽取一致性(random sample consensus,RANSAC)平面拟合算法.该方法先用RANSAC算法检测并剔除异常数据点,再利用最小二乘法将得到的有效数据点拟合,计算平面模型参数.实验中,分别采用该算法和最小二乘法、特征值法对仿真数据进行平面拟合,且采用本文提出的算法,分别对含有不同程度误差和异常值的点云数据进行拟合计算.研究结果表明:该算法适用于存在误差和异常值的点云数据拟合,能稳定地得到较好的平面参数估值,具有较强的稳健性.

扫描离子电导显微镜的研制与实现

在微纳米尺度上对活细胞高分辨率成像对生命科学研究具有重要的意义,其将有助于再现正在发生的生命过程、检测细胞对外界刺激做出的响应,甚至观测某些蛋白簇在细胞膜表面的运动。然而直到今天,仍然没有很好的实现上述目标。扫描离子电导显微镜(SICM)由于其真正的非接触、高分辨、无损独特成像方式,规避了扫描过程中探针与样品表面发生力的接触,得到越来越多的关注和广泛的应用。从系统的角度阐述自制SICM系统的设计、硬件集成及跳跃模式扫描算法的实现,并通过对聚二甲基硅氧烷(PDMS)栅格成像以及与原子力显微镜(AFM)成像结果的对比,验证了系统功能的正确性和有效性;最后开展了生理环境下活体细胞的原位扫描成像实验,初步获取了活体神经细胞轴突结构的三维形貌图像。SICM的成功搭建,将为人们深入了解生理条件下活体生物样品表面微观结构与功能机理等提供有效的研究方法与手段。

金银微纳结构的激光加工

将飞秒激光聚焦于双金属甲苯离子前驱体溶液,在衬底上还原出可任意精细图案化的金银微纳结构.研究了不同比例离子前驱体溶液对加工的微纳结构中金银比例的影响.所得双金属微纳结构保留了金属材料的性质,在定点催化中表现出很好的催化效果.

一种基于曲率与置信度传播的视差估计方法

常用的匹配代价容易受到光晕效应等复杂光学畸变的影响.文中通过对相机成像模型的分析,从理论上证明基于曲率的匹配代价对光晕具有较强的鲁棒性.提出一种在积分图像上对基于曲率的匹配代价进行计算的方法,有效提高算法速度.最后,将曲率约束引入到置信度传播算法正则项的设计中,抑制置信度在深度不连续区域之间的传递,防止过平滑现象的产生.实验结果验证文中方法的有效性.

基于最小无穷范数的蛇形机器人最优力矩控制

带有被动轮的蛇形机器人在跟踪头部轨迹时,力矩输入具有无穷多解,其中振幅最小的解对应着电动机额定扭矩最小的情况,即为本文所指的优化力矩.由于带有被动轮的蛇形机器人侧向不打滑时轮子的法向速度为0,每个模块可以引入一个速度约束,此时蛇形机器人是一个非完整约束系统,而振幅最小的力矩对应着具有最小无穷范数的力矩.通过建立非完整约束动力学方程,将求解振幅最小的力矩转化为在动力学方程约束下求解最小无穷范数的问题.利用最小无穷范数的数值算法求得在蛇形机器人跟踪头部速度时的关节力矩最小无穷范数解,从而利用最小无穷范数解对蛇形机器人进行力矩控制,实现力矩振幅最小的最优力矩控制.动力学数值仿真结果证明了算法的有效性.

基于负刚度预载荷机构的锥形介电型EAP驱动器研究

为了便于对介电型EAP驱动器进行优化设计,针对介电型EAP驱动器进行建模是极其重要的。结合弹性大变形理论及Maxwell应力建立介电型EAP材料的机电耦合模型,分析一种可以提高驱动器性能的负刚度预载荷机构,在此基础上建立基于负刚度预载荷机构的锥形介电型EAP驱动器模型。通过对微分代数方程组的求解,分析预载荷机构对驱动器驱动性能的影响,得出特定尺寸的锥形驱动器在不同驱动电压下的电压-位移曲线以及驱动器薄膜中的主延伸率、主应力分布情况,同时给出了锥形驱动器的力-位移曲线。最后将试验结果与理论分析进行比较,给出了导致偏差的原因。结果表明,本文建立的模型可以为锥形介电型EAP驱动器的设计应用提供参考依据。

AUV纯方位目标跟踪轨迹优化方法

为了进一步提高自主水下机器人(AUV)纯方位目标跟踪能力,从AUV轨迹优化方面进行了研究.采用基于距离的分段轨迹优化方法:在跟踪目标的初始阶段以定位的位置误差GDOP(geometrical dilution of precision)作为优化对象,以期在定位跟踪的各个时刻能得到最优的定位精度;针对目标运动要素(位置、速度、航向等)估计趋于收敛的情况,提出了一种基于短期预测的轨迹优化方法,AUV根据物理条件限制预测双方短期状态,计算能够反映跟踪态势特征的收益函数,根据收益函数对自身某状态进行评估,估算出自身各个预测状态的综合收益后,选出综合收益最大的那个状态作为短期目标,执行能到达该状态的行为.目标运动要素估计中使用扩展卡尔曼滤波(EKF).最后,将该轨迹优化方法与基于GDOP的轨迹优化进行仿真对比,结果表明该方法能够实现AUV与目标较快汇合.

基于拓扑米制混合地图的废墟环境同步定位与地图创建

针对废墟内部环境震害形态特点,提出面向废墟环境的地图表示方法构建机制.采用基于拓扑米制混合地图的表达方法在不同层次描述废墟环境.算法利用全局拓扑地图组织整体结构确保系统计算能力、环境适用性和交互性,并在各拓扑节点区域创建局部米制地图,描述破坏形态形成的不规则障碍.通过废墟模拟环境进行实验,验证了该算法在复杂环境中的同步定位及地图创建能力,证明该算法在实际救援等领域具有可行性及有效性.

基于主动轮廓方法提取雾化锥角

基于主动轮廓方法(ACM)原理,将ACM延伸开发应用到雾化锥角的测量领域.经过调试,ACM成功捕捉到了雾锥边界以及喷雾矩在喷口后一定位置处出现的收缩特征,准确地获得了雾化锥角.验证结果显示:ACM获得的雾化锥角数值与阴影法测量值之间的相对误差小于1.5%.基于ACM提取雾化锥角方法的应用可以在保证实验结果准确度的同时降低工程应用成本.