一种新的康复与代步外骨骼机器人研究

针对老年人及下肢障碍者康复训练与代步问题,本文提出一种新的康复与代步外骨骼机器人.本文首先详细介绍了机器人各部分组成及机构设计方案,通过下肢外骨骼与轮椅的有机结合,有效保持或恢复老年人、脑卒中患者下肢运动能力的同时,为患者提供一种方便的代步工具;运用脚蹬车运动制订康复训练策略,可保持下肢康复训练轨迹固定,保证患者安全;提出主从式操作方法及多模态康复训练控制流程提高使用者参与感.最后通过仿真与实验验证了所提康复系统的可行性与设计的正确性.

核电站蒸汽发生器堵板操作机器人机构设计与实现

核电站蒸汽发生器堵板密封操作是检修维护中的必备作业,由于大剂量的辐射环境,急需由机器人代替人工进行堵板密封操作。提出并研制了一种堵板自主密封操作机器人,完成了机器人整体设计并分析了机器人轻量化、高刚度、耐辐照以及安装便捷的机构特点,通过对机器人的工作空间可操作分析以及运动学计算与仿真,得到末端在预定轨迹下各关节运动情况,验证运动学求解的正确性。最后在已研制的机器人平台上进行精度实验,验证了该机器人可满足堵板密封操作的需求,为下一步工程应用奠定了基础。

颅颌面肿瘤放射性粒子植入手术机器人设计与实现

放射性粒子植入治疗术是目前治疗颅颌面肿瘤的一种有效手段,但存在手动植入精度低、手术时间长、医生遭受辐射等问题。为此结合手术特点和需求,设计了一种新型的颅颌面肿瘤粒子植入手术机器人,以实现机器人自动植入粒子辅助治疗颅颌面肿瘤的目的。本文设计了颅颌面肿瘤粒子植入手术机器人系统,完成了机器人本体和粒子植入装置的机构设计,建立了运动学方程并给出了机器人到达目标点的各关节运动学解。最后,设计了机器人连续自动植入粒子手术模式下的控制系统,完成了基于标记点的空间配准,实现了机器人自动植入粒子。实验表明,该机器人定位精度高,可安全有效的自动植入粒子,满足颅颌面肿瘤手术要求。

面向离散地形的欠驱动双足机器人平衡控制方法

欠驱动双足机器人在行走中为保持自身的平衡,双脚需要不间断运动.但在仅有特定立足点的离散地形上很难实现调整后的落脚点,从而导致欠驱动双足机器人在复杂环境中的适应能力下降.提出了基于虚拟约束(Virtual constraint,VC)的变步长调节与控制方法,根据欠驱动双足机器人当前状态与参考落脚点设计了非时变尺度缩放因子,能够实时重构适应当前环境的步态轨迹;同时构建了全身动力学模型,采用反馈线性化的模型预测控制(Model predictive control,MPC)滚动优化产生力矩控制量,实现准确的轨迹跟踪控制.最终进行了欠驱动双足机器人的随机离散地形稳定行走的仿真实验,验证了所提方法的有效性与鲁棒性.

装甲车辆综合测试系统上位机平台设计

以装甲车辆野外实车动态试验为背景,基于整车综合测试系统,利用LabVIEW语言开发了集采集、显示、存储、分析为一体的新型上位机平台。针对车辆测试系统的功能要求,设计了试验任务配置、实时数据显示、离线数据回放、试验数据管理、试验数据分析5种功能,实现了系统功能的集成化。利用PXI平台构建了试验环境,对上位机平台的上述功能进行了试验验证。结果表明:所设计的上位机平台可以满足装甲车辆整车200多路信号的采集需求,同时其灵活的系统配置功能、良好的集成化设计以及友好的可视化界面,可以为车辆研制和改进过程中的实车动态测试提供便捷。

基于混合总线的装甲车辆实车综合测试系统设计

针对野外实车工况下装甲车辆整车动态试验测试手段单一、数据获取困难的问题,设计了一种基于混合总线的装甲车辆网络化实车综合测试系统。整个系统以NI CompactRIO嵌入式平台为基础,结合有线、CAN总线、无线3种测试方式,实现对整车动态测试数据的实时采集、传输、显示和存储。提出一种自适应数据流控制策略,通过自适应数据缓存控制以及基于最大采样率的伪均匀采样方法,有效解决了整车试验测试过程中信号参数众多、采样频率各异、数据量大的问题。基于PXI平台搭建了系统试验验证环境,对车辆综合测试系统进行了功能性验证。试验结果表明,本文网络化实车综合测试系统工作可靠,能够满足装甲车辆的试验测试需求。

分布式测试系统同步触发脉冲传输时延的高精度测量方法

针对分布式测试系统中数据采集装置接收到触发指令的时延不同且未知而影响同步触发的问题,提出了一种实时在线测量触发脉冲传输时延测量模型和数据回传模型,以及基于延时链循环比较法的高精度时间间隔测量方法,实现了同步触发脉冲传输时延的精确测量,为后续同步触发误差的精确校准提供了高精度的时延数据。测试结果表明,该方法能实现分布式测试系统同步触发脉冲传输时延的高精度测量。

分布式测试系统时间同步技术的研究

分布式测试系统是集计算机控制技术、网络通信技术与多传感器信息融合技术于一体的复杂测控系统;与独立测试系统不同,在网络化分布式测试系统中,各测试装置需按通信协议与网关节点通信以完成相应的测试;不同测试装置在接收网关节点发出的信号时,由于传输距离不同会引起时延差;如果系统中的各个测试装置不具备统一的时间基准,那么得到的测试数据因为时钟差异将无法反映出信息的真实情况;因此,整个网络中所有测试装置需要保持时间同步;针对分布式测试系统时间同步的需求,对信号传输过程中的时延问题进行了研究,提出了一种基于FPGA的时延测量方法,对这种软硬件结合时延测量方法的实现原理进行了详细阐述,并进行了功能仿真及试验验证。

微创血管介入手术机器人控制系统与零位定位装置设计

为实现微创血管介入手术机器人对手术工具的精确定位和稳定把持,设计了其控制系统及相应零位定位装置.首先介绍了机器人系统组成和基于PMAC(可编程多轴控制器)的上下位机控制系统构架.同时,设计了5次插值运动规划算法和关节运动的三环PID控制算法,提高了机器人响应速度和稳定性.为了确定机器人运动初始位置,提出了以霍尔传感器为基础,结合电机运动信号的零位找寻方法和装置.实验结果表明,该零位定位装置定位稳定且准确.

人体穿戴髋关节助力外骨骼的行走运动学分析

针对现有下肢助力外骨骼研究中缺少对关节层面的运动学分析以及缺少对髋关节外骨骼助力机制的研究这一现状,对一款髋关节助力外骨骼在多种助力模式下的运动进行采集和分析,得到被试在不穿戴外骨骼、外骨骼零助力、外骨骼低助力、外骨骼中助力、外骨骼高助力和外骨骼阻力共6种模式下的运动数据,并通过逆运动学计算和数据分析,得到关节角度曲线和步态特征。实验结果在关节层面明确了髋关节外骨骼的助力机制,可为助力外骨骼的设计和运动控制提供参考。

基于肌肉协同和肌肉力相对关系的人体行走下肢肌肉力计算方法

针对现有计算肌肉力的方法中缺乏对运动过程中肌肉协同机制和肌肉力相对关系考量的问题,提出一种基于行走过程中肌肉力相对关系与肌肉协同的肌肉力计算方法。该方法在二次优化的基础上,将人体行走过程中一段时间的肌肉力以及不同肌肉收缩力之间的关系纳入逆动力学计算中。在所建立的肌肉骨骼模型的基础上,利用该方法得到行走过程中下肢主要肌肉的肌肉力,计算结果可以有效地反映人体运动规律以及行走过程中的肌肉协同机制。该计算方法可为人体运动形成机制、运动康复与训练以及仿人机器控制等提供理论依据。

特种车辆油气弹簧漏气故障的识别与预测

针对特种车辆实现基于状态的维修和自主保障需求,首次对特种车辆悬挂系统的核心部件油气弹簧进行了基于数据驱动方法的状态识别和故障预测研究。对油气弹簧的主要故障模式和机理进行了分析,针对发生频率最高的漏气故障,提出了一种适用于不同工况下的基于相同位移下气压变化的特征提取方法。提出了一种基于支持向量分类机和回归机的故障识别和预测框架,采用该框架能适应实车应用环境的要求,无需增加额外传感器,只利用车辆现有的测试环境就能实现油气弹簧漏气故障的实时监测和预防性维护,与其他基于振动信号的方法相比更具有实用性。在试验室内进行了模拟状态退化试验,利用采集的数据验证了方法的可行性,可用于特种车辆油气悬架的在线状态监控和预测。

人体步行规律与仿人机器人步态规划

从仿生学角度分析了人体的步行运动规律,提出了一种基于人体运动规律的仿人机器人步态参数设定方法.首先对人体步行运动数据进行捕捉并分析,得出人体各步态参数间的函数关系,以人体步行相似性作为评价指标,提出仿人机器人步态参数的设定方法.其次,通过分析人体在步行过程中的补偿支撑脚偏航力矩的基本原理,提出了基于双臂及腰关节协调运动的仿人机器人偏航力矩补偿算法,以提高仿人机器人行走的稳定性.最后通过仿真及实验验证了所提出的步态规划方法的正确性及有效性.

多相位粒度萤火虫同步算法

该文针对分布式时间同步算法中,低耦合系数的分组同步问题和大耦合系数的相位振荡失稳现象,提出一种多粒度一致分布式时间同步算法,采用离散多相位粒度模型,将报文交换的相位信息采用多个相位分辨力进行耦合同步,有效地减少了分组现象,加快了同步进程,并提高了算法的执行效率。最后利用仿真实验和传统的M&S仿生算法进行对比实验,验证了其在非全连接网络中,可以取得比传统算法更好的同步效果。

一种任意布设多元阵列的声定位方法研究

针对传统声定位系统难以满足传感器阵列所需满足的特定几何形状布设问题,提出了一种任意布设多元阵列的声定位方法。由于算法需要保证定位公式中的转换矩阵为非奇异矩阵,因此,最少需要5个阵元满足对声源进行空间定位,具有较好的工程应用前景。通过MATLAB对该算法进行仿真,在500m×500m的区域,时延标准差为60μs,蒙特卡洛次数为500次,计算得出x、y轴的最大误差不超过0.04 m,z轴的最大误差不超过0.1m。由此可见,该定位方法不仅可有效实现对声源的三维定位,并可灵活应用于战场或其他声目标的探测。

基于对比度金字塔与双边滤波的非对称红外与可见光图像融合

为了同时保留红外图像的特征信息和可见光图像的细节信息,提出了一种基于对比度金字塔的非对称红外与可见光图像融合方法。首先,使用对比度金字塔对红外与可见光图像进行高频与低频信息分解,然后对高频部分采用绝对值取大方法进行融合,对于低频部分采用基于双边滤波的方法对红外与可见光图像进行非对称的处理;其次,使用对比度金字塔的逆变换得到融合后图像。对融合图像进行主观视觉和客观指标评价,结果表明该算法在突出目标特征信息和保留细节特征方面表现优异。

基于CompactRIO的车辆CAN总线传输策略研究

针对装甲车辆动态工况下的多参数测试需求和CAN总线测试网络拓扑结构,提出了一种基于主、从CAN节点间应答模式的实时数据传输策略,开发了基于该传输策略的CAN总线通信协议;研究了协议中的优先级分配、标识符划分和CAN帧数据域定义;编写了Lab VIEW上位机界面和仿真程序;基于Compact RIO采集平台搭建了试验验证平台,进行了传输策略的可行性验证;结果表明,在该CAN总线数据传输策略的控制下,测试系统能实现145路信号的实时采集、传输、存储和显示,满足测试需求。

基于上臂关节角度和肌电信号的二自由度假肢控制方法

肌电信号的采集易受到空气湿度和皮肤表面汗液等多种随机因素的干扰,使采集到的肌电信号极不稳定.为了应对此问题,市售的肌电假肢普遍采用基于开关量的控制方法,但是开关量对多自由度假肢的控制依赖于顺序动作切换,这使得假肢的实际使用过程比较繁琐.利用肢体运动学信息的假肢控制方法常见于下肢假肢,这是因为上肢的运动受抓取物体的形状和位置等因素变化,其肢体运动的规律性较差.本文提出一种利用上臂关节角度和肌电信号的控制方法,利用人体在抓握时肩关节的运动模式区分使用者对不同形状物体的抓握,并将此方法应用在二自由度假肢的控制中.通过与开关量控制的假肢在日常物品抓握实验中的对比,表明本文所提出方法在稳定性和使用效率方面都优于开关量控制的方式.

光电镊——一种用途广泛的微纳操作工具

光电镊(OET)是一种基于光致介电泳效应的微尺度光操控技术,可在流体场、光电场、生物力场耦合的复杂环境下对微小目标进行精准操控,在细胞操作、微机械系统等领域有着重要的应用。光电镊技术可以单独使用或与其他技术协同使用,应用十分广泛。迄今为止,基于光电镊的研究主要集中在:微纳米材料的操作、组装和合成;单个细胞/分子的操作、分离和分析;细胞固有特性的分析和获取;细胞的电穿孔、融合和裂解;细胞封装生物材料和生物结构的制备;流体传输的光流体器件的开发。这些工作展示了光电镊技术优越的性能和独特的通用性和灵活性。该文系统地介绍了光电镊技术的现有应用,总结了该技术的应用前景、局限性及发展趋势。

基于Alvarez透镜的紧凑型红外连续变倍系统设计

针对传统轴向移动机械光学变倍系统结构复杂、体积大的问题,提出基于Alvarez透镜的横向移动红外光学连续变倍系统。该系统由两组Alvarez透镜、光阑、定焦透镜和红外探测器组成。两组Alvarez透镜构成开普勒式望远结构,其中,第一组Alvarez透镜作为变焦组,第二组Alvarez透镜作为补偿组。无限远入射光线经过两组Alvarez透镜后出射,出射的平行光通过定焦透镜聚焦成像到红外探测器的靶面上。使用Zemax软件进行光学仿真,该光学变倍系统覆盖8~12μm的长波红外波段,最大视场角为6°,最大入瞳直径为6 mm,F数为2,畸变量小于2.1%,光学总长度约为74 mm。Alvarez透镜仅需横向移动约1 mm即可实现5×到15×的连续光学放大。该系统在红外探测器分辨率为320×240、像元尺寸为30μm时调制传递函数达到0.5@17 lp/mm。仿真设计结果表明,该系统具有放大倍率大、结构紧凑、成像质量高的优点,有望应用于小型化红外变倍成像领域。