基于透明物体深度补全的机器人抓取实验设计

该文针对透明物体的抓取问题,进行了机器人抓取综合性实验设计。提出了基于几何约束的透明物体深度补全算法,研究了基于Deep Learning的深度补全,利用语义分割图对输入数据进行预处理,联合表面法线和遮挡边缘作为几何约束来预测缺失的深度值;选取基于RGBD(red green blue depth map)信息融合的抓取检测网络GR_ConvNet对透明物体进行抓取检测。实验数据表明,TransLab算法体现出较好的抗干扰能力,能够很好地突显所有物体的形状和轮廓,利用补全后的深度图进行训练的模型精度更高。通过该实验设计能够帮助学生理解深度补全、语义分割等基本理论和方法,培养学生将理论联系实际的能力和对科学研究的兴趣。

气动柔性五指机械手运动空间与抓取实验研究

设计了一种气动柔性五指机械手,采用单驱动型和多驱动型单向弯曲柔性关节作为单自由度手指关节,可完成多自由度抓、握、捏等人手灵活动作;搭建机械手运动学实验平台和抓取实验系统,利用3D运动捕捉系统,得到了机械手各手指运动空间,机械手可稳定抓取日常生活中不同外形和质量的物体,验证了其有类似人手的抓取能力.实验结果表明:机械手各手指基本完成了设计要求,实现各自抓取功能,具有良好的柔顺性和适应性.

小型Delta机器人理论建模及抓取实验研究

人机协同操作是机器人研究的热点。基于自主搭建的用于人机协同操作的小型Delta并联机器人,对其进行了系统地理论建模及抓取实验研究。建立了系统的运动学约束方程,推导出机构的运动学正逆解方程,并在此基础上利用虚功原理建立系统的简化动力学模型。在工作空间内对末端进行抓取轨迹规划。为检验系统的可行性,搭建实验系统进行抓取实验研究,实验结果表明了该小型Delta机器人系统的可行性,为后续人机协同操作奠定理论和硬件基础。

模块化可重构三指灵巧手设计与抓取实验研究

在服务和工业领域等非结构化环境中,因抓取对象、抓取部位、作业工艺等具备多样化、不确定等特点,灵巧地抓取物体是具有挑战性的.基于连杆传动机构,研制了一种新型的模块化可重构三指灵巧手.手指与手掌分别采用模块化设计,模块化手指的两个关节均采用连杆传动,有效减小了手指体积,同时可以获得较大的指尖力,降低了制造维护的复杂性.可重构手掌可以变换模块化手指的空间位置,对不同抓取目标形成最优的抓取姿势.其具有以下特点:7个主动自由度,指尖力为25N,有效载荷为5kg,重量为1.55kg,体积小巧,具有力感知能力且易于集成.日常生活用品与工具的抓取实验验证了灵巧手的有效性和灵巧性.结果表明,模块化可重构三指灵巧手可以灵巧地抓取和操作日常生活用品和工具,可有效满足服务与工业领域中灵巧抓取的需求.

SHU-II五指仿人灵巧手的运动学及抓取分析

根据人手结构设计一种五指仿人灵巧手。该灵巧手共有5根手指,总计16个自由度。灵巧手的手指关节虚拟化,手指更加轻量。灵巧手采用欠驱动方式,并将驱动系统内置,整体结构集成度高,易于安装到不同的机械臂平台。在理论研究上,通过齐次变换矩阵得到灵巧手的运动学模型,进而得到五指的运动轨迹,并进而对灵巧手控制策略进行探讨,之后对灵巧手进行手势与抓取实验,实验表明灵巧手能完成夹、捏、握等10种动作。把灵巧手应用在不同的机械臂平台上,验证了灵巧手的抓取范围广及其在不同环境下的抓取能力。

面向草莓抓取的气动四叶片软体抓手研制

农林业中果蔬的自动化采摘需求日趋强烈,末端抓手是实现无损采摘的关键。传统的末端抓手以刚性结构居多,现有的各种柔性抓手也存在抓取力不足、包覆性不佳等缺点。本文以草莓的无损采摘为研究对象,提出将草莓外部轮廓曲线作为设计曲线,设计了一种新型气动四叶片软体抓手。首先,对软体抓手的结构做仿真优化,提出一种安全地附着在目标物表面的设想。然后,在进行草莓表面的最小破坏应力试验的基础上,测试了软体抓手的末端力,验证了其实现无损抓取的可行性。再次,利用动态捕捉技术,研究了软体抓手叶面的弯曲变形规律。最后,选择使用弧线型气体通道的软体抓手进行了草莓抓取测试,结果证明了气动四叶片软体抓手可以实现草莓的无损抓取,抓取成功率达90%,破损率为2%,表明所研制的四叶片软体抓手用于草莓抓取时具有良好的稳定性和实用性,可用于草莓采摘的末端执行器。本研究也可为其他易损果蔬的采摘技术提供理论基础和技术支撑。

气动软体采摘机械手设计及实验研究

针对传统刚性采摘机械手适用范围小、环境适应性差及对果蔬损伤大等问题,设计了一种面向沙果采摘的刚柔耦合气动软体采摘机械手。根据沙果的结果特点以及采摘要求,确定了六指包裹式采摘形式。以龙丰果为例,建立了采摘机械手软体手指弯曲角度计算模型,确定了单指的弯曲角度;通过3种硅胶材料的拉伸对比实验,选定HY-E620型硅胶作为软体手指的材料;开展了多种结构对软体手指弯曲性能影响的ABAQUS有限元仿真分析,确定了较优的结构;利用实验测定了不同驱动气压条件下单根软体手指弯曲角度与输出力的对应关系,并在0.08 MPa驱动气压下对多种水果进行三指抓取实验,验证了软体手指结构的合理性。最后,试制了六指包裹式气动软体采摘机械手,并分别对沙果、苹果、梨和橘子等进行了采摘实验。结果表明:所设计的采摘机械手不仅对含3~6个果实的成串沙果的采摘成功率达到80%,还可采摘苹果、梨和橘子等类球形水果,具有一定的通用性,可为水果采摘机械手的设计与研究提供新思路。

基于有限状态机的煤矿辅助运输转载自动化控制研究

为实现辅助运输过程中转载容器装载和转载工作的少人化、智能化,提出一种采用煤矿辅助运输转载机器人实现容器自动化转载的控制方案。概述煤矿辅助运输转载机器人组成及工作原理,分析机器人转载过程,确定了辅助运输转载自动化需要对单轨吊车、转载机械臂、平板车、锁具的工作时序进行控制,在MATLAB中建立系统状态机,将单轨吊车、转载机械臂、平板车、锁具作为子系统,系统状态机根据用户指令结合当前各子系统的状态,协同控制各个子系统的工作时间和顺序,保证了煤矿辅助运输转载的安全进行;最后在ROS中建立辅助运输转载仿真环境,通过系统状态机控制机械臂进行多次抓取实验,实验结果表明转载容器在20次不同位置抓取实验中,抓取成功率均在80%以上。

梓醇促进脑缺血大鼠神经修复的行为学观察与评价

目的采用系列行为学评价手段评测梓醇对局灶脑缺血大鼠神经功能恢复的影响,探讨其治疗时间窗和有效治疗剂量。方法制备局灶永久性脑缺血大鼠模型,于造模后6h、24 h两个时点开始腹腔注射给予低、中、高剂量(1、5、10mg.kg-1)梓醇进行治疗,每日1次,连续7 d,分别于造模后1、4、7、15、21 d,进行Bederson评分、肌力评定、平衡木行走试验、受累前肢食物抓取成功率测试。结果与模型组比较,各种神经行为学评价梓醇治疗组均有改善;其中术后21d,梓醇中、高剂量组受累前肢(左)食物抓取成功率分别为48.7%±5.4%(约相当于基线值72%)和47.3%±4.8%(约相当于基线值70%),与模型组(25.8%±4.1%,约相当于基线值38%)比较差异具有显著性(P<0.05)。提示梓醇对脑缺血后感觉运动功能恢复有促进作用。但术后21 d,术后6 h给药组和术后24 h给药组左前肢食物抓取成功率差异无显著性(P>0.05),提示脑缺血后延迟给予梓醇治疗仍对大鼠神经功能恢复有促进作用。结论采用Bederson评分、肌力评定、平衡木行走试验和左前肢食物抓取功能测定等多种方法,证实梓醇对脑缺血后功能恢复有促进作用,后两种评价方法更为灵敏;梓醇治疗有效剂量为1～10 mg.kg-1,缺血后24 h给药仍然有效。

欠驱动自适应式捕获装置设计

空间捕获作业是在轨服务的重要组成部分,采用全驱动关节式机械臂进行空间捕获存在结构复杂、质量大等问题。本文针对空间捕获作业的设计要求,提出一种具有折展和抓取功能的欠驱动自适应式空间捕获装置。该装置采用行星传动实现1个驱动源驱动2个关节的转动,该装置包括三个3自由度的欠驱动机械手指,采用4个电机驱动9个关节运动,且对被捕获对象具有自适应能力。介绍了捕获手抓的设计方案、工作原理,建立捕获装置单指的坐标系,对捕获装置进行了运动学分析。最后通过样机捕获实验,验证了该装置能够实现不同外形尺寸目标的自适应捕获。

基于草莓轮廓曲线的单指软体采摘抓手设计与优化

针对草莓采摘过程中的无损抓取作业需求,改进传统三指软体抓手的结构,基于草莓外部轮廓曲线设计新型单指软体抓手.基于Abaqus仿真软件对单指抓手完成结构优化,提升弯曲性能,实现软体抓手的完整包裹效果.改进制造工艺,有效提升单指抓手的重复使用率和安全性.利用高速摄像机和动态捕捉技术,分析单指抓手上下端面的弯曲变形规律.测试草莓表面的最小破坏应力和单指抓手的末端力,验证了无损抓取的可行性.将单指抓手安装在机械臂上进行草莓抓取测试,在模拟草莓自然生长状态时,抓取成功率为80%,破损率为7.5%.结果表明,气动单指软体抓手可以实现草莓的无损抓取.

一种SMA驱动的新型仿生手

采用独立化设计方法,将仿生手分为控制模块、手指模块、散热模块并进行单独设计,制作了集成化的仿生手,可以快捷地实现模块化手指的分离与组装。采用形状记忆合金丝作为驱动器,设计了可以实现驱动位移放大的凸轮结构,使S M A在驱动过程中的有效输出位移得到有效放大。在Matlab中对仿生手进行了运动空间仿真,并通过3 D打印制作了总质量为410 g的仿生手样机。采用温度反馈方式,提高了仿生手在不同温度环境中的响应能力以及对SMA的温度保护,对日常生活物品进行了抓取实验验证。结果表明,新型仿生手具有较大的抓取尺寸和抓取重量,具有拆装方便、控制简单、抓取稳定的优点,实现了控制与驱动的高度集成。

新型SMA驱动器与仿生手研究

设计了一种基于多边形SMA驱动器的模块化欠驱动5指仿生手,整体质量260 g,每根手并通过内部的滑轮结构将驱动位移提高了1倍。建立了驱动电流与输出位移以及温度与驱动电压的数学模型,解决了驱动位移小、温度反馈控制实时性差的问题。实验结果表明,新型多边形SMA驱动器具有体积小、质量轻、驱动位移大的优点,通过电流和温度的双重反馈控制算法,实现了对输出位移的控制并提升了SMA驱动器在不同环境温度下的响应速度;抓取实验验证了仿生手的抓取能力。研究结果为推进SMA仿生手的应用提供了一种思路。

高抓取能力人工肌肉型柔性机械手设计与验证

针对现有柔性机械手抓取范围有限,负载能力小的问题,基于弯曲型人工肌肉设计了一种安装角度可调的四指柔性机械手。基于能量法进行了弯曲型人工肌肉的静力学分析与验证,单根执行器最大弯曲角度可达151°,最大输出力为3.2N,执行器静力学模型平均误差分别为5.25%和8.13%。进一步,基于设计的四指柔性机械手,针对不同形状和大小的物体完成了抓取实验。结果表明,机械手最大抓取物体质量为1 050 g,最大尺寸为φ226 mm,在抓取实验中单根执行器最大弯曲角度为93°。设计的机械手具有稳定的抓取性能,能够实现日常物品稳定的抓取。

复合驱动双指柔性机械手的设计与控制

为了满足工业领域中形状多变、物性多样、尺寸不一的复杂目标件抓取需求,模仿人手指关节并依据双指贴合抓取原理,设计达到包络贴合状态的双指柔性机械手.分析目标件外形轮廓的结构特点,提取目标件轮廓的抓取特征,获得柔性机械手的结构运动原理.根据柔性机械手运动原理,进行目标件包络夹取过程的数学建模与仿真分析,搭建平台验证柔性机械手的性能.该机械手由柔性机械手指、驱动部件和位置补偿机构组成,可以实现圆柱体、圆锥件、长方体类零件的适应性抓取,具有较高的抓取可靠性与稳定性.

一种软体末端执行结构设计与试验分析

设计了一种类似于手指的末端执行器结构,包含3个“关节”,由邵氏硬度为83 A的热塑性弹性体(TPE)3D打印而成。因成型温度等因素对材料结构参数的影响,通过拉伸试验获取应力应变曲线,计算出基于Mooney-Rivlin模型下当前材料参数C_(10)、C_(01),籍此有限元软件仿真分析其弯曲性能,进行弯曲性能试验对比分析有限元仿真结果。搭建试验台架进行抓取试验,有效抓取0~100 g范围内的试验物体。

多指柔性夹持器的设计与控制

针对传统刚性夹持器存在的抓取适应性差、表面硬度高等问题。通过采用可熔气腔支撑与3D打印技术,设计并制作了集驱动于一体且重量为150g的多指柔性夹持器样机。通过实验测试平台得到了抓取直径与气腔内部气压之间的关系,并对不同的生活物品进行了抓取实验。实验结果表明:建立的直径与气压模型对被抓物体直径有较高的识别率,平均误差率为3.22%,可以实现对被抓物体尺寸识别,并且具有质量轻、驱动气压低、抓取力强等优点。