面向移动作业的腿足机器人数字孪生系统

针对移动作业中的腿足机器人,结合数字孪生技术,设计整机系统的体系结构、模块结构、硬件框架和软件框架,通过集成多个传感器输入和数据源,可在移动场景下获得可靠准确的环境状态和机器人状态.基于点线特征匹配理论,优化腿足机器人的自主定位精度和鲁棒性,结合环境建模数据实现高效里程计和实时移动建图.提出建立数字孪生模型的通用方法,并通过误差补偿保证机器人数字孪生体的运动状态与实际机器人的运动状态高度一致.在数据集和真实机器人上进行实验,结果表明所提出的数字孪生系统不仅能够在不同的腿足机器人平台上稳定高效运行,而且能够保证实时状态反馈和里程计定位精度.与ORB-SLAM3相比,内存开销降低约68.7%,CPU使用率降低约17.8%.硬件实验表明,通信延迟与网络延迟基本一致,约为30 ms,有助于提高任务执行效率.

农业物料移运机器人协同作业时间最优轨迹规划方法

为了解决机器人将农产品从收获场所转移到仓库或运输车辆存在的移动轨迹和作业轨迹相对独立且耗时长的问题,本文设计一种物料移运机器人,并提出一种物料移运机器人协同作业时间最优轨迹规划方法,获得机器人作业系统和行驶系统协同作业的时间最优轨迹。该方法建立机器人协同作业的运动学模型和动力学模型,对物料移运机器人开展时间最优轨迹规划,并基于Lyapunov理论设计控制律减少跟踪误差,最后通过Matlab/Simulink和ADAMS联合仿真验证方法的有效性。结果表明,提出的轨迹规划方法可使机器人在抓放料协同作业和避障协同作业中取得平滑且时间最优的运动轨迹,机器人各关节的位移、速度、加速度、力/力矩曲线变化平缓,两履带牵引力满足机器人的要求且可快速稳定跟踪时间最优路径。

基于V-REP的机器人仿真实验系统及教学

机器人设计需要采用"设计—仿真—优化"的过程,因此仿真技术是机器人工程专业本科生必须掌握的技能。该文基于V-REP仿真软件设计了一套6自由度通用工业机器人仿真实验系统。首先建立了机器人的V-REP模型,进行系统动力学参数设置,然后与MATLAB的轨迹规划算法进行联合仿真和验证。开展了学生线上实验教学和探索,可替补实验室的现场实验。仿真实验系统可以进行机器人的运动学、动力学和轨迹规划算法的仿真实验,能够提高学生的机器人理论分析和设计能力。

重载工业机器人控制关键技术综述

本文围绕影响重载工业机器人控制性能的关键技术进展进行了综述。首先针对目前重载工业机器人运动规划中关于规划空间选取、基函数选取、运动规划最优性问题及其所对应的算法进行了分析。然后分析了重载工业机器人所存在的不同类型的柔性环节,并对其相应的控制算法进行了分类综述。最后给出了相应结论。

基于力估计与切换控制的六足机器人三边遥操作

传统三边遥操作系统的力传感器对主从端交互力进行测量时局限性较大,且在共享权重切换时易导致系统不稳定,本文设计基于力估计与权重切换控制的六足机器人三边遥操作控制架构。针对系统各端口交互力信息缺失的问题,设计一种非线性交互力估计器,实现对各端口间交互力的实时估计。聚焦双操作者控制权重动态调整过整中的柔顺切换问题,本文基于共享控制策略,设计权重因子自适应切换算法。为保证所提出系统的稳定性及透明度,融合力估计器及权重切换算法,设计遥操作系统的控制器。通过力反馈设备分别和Vortex与ElSpider六足机器人搭建半物理仿真平台与实物实验平台,对本文提出控制方法进行验证。相对于传统三边遥操作,实验表明在平坦地形下速度跟踪性提高了45.12%,力跟踪提高了64.71%;在崎岖地形下速度跟踪提高了39.02%,力跟踪提高了29.41%。

基于松散偏好规则的群体机器人系统自组织协作围捕

针对群体机器人协作围捕,提出了一种基于松散偏好规则的自组织方法.首先给出了个体机器人的自由运动模型和围捕行为的数学描述.通过对围捕行为的分解,构造松散偏好规则来使个体机器人在自组织运动过程中相互协调最终形成理想的围捕队形.在此基础上,设计了个体自组织运动控制器.最后运用Lyapunov稳定性定理证明系统的稳定性.仿真和实验结果表明,本文给出的自组织方法对于群体机器人协作围捕是行之有效的.

六足机器人关键技术综述

六足机器人具有丰富的步态和冗余的肢体结构,凭借其离散式的地面支撑和对障碍、沟渠等复杂特殊地形及不可预知环境的极强适应性,具有广泛的应用前景。作为一个新兴的研究领域,国内外对六足机器人的研究尚处在起步阶段,并没有成熟的技术可借鉴,因此有必要对现有研究成果进行系统分析和深入总结,以促进六足机器人的进一步发展。文中简要介绍了国内外六足机器人的研究现状,详细探讨了制约六足机器人研发的仿生结构设计、步态规划和多足协调控制等关键技术问题,并对六足机器人未来发展趋势进行了构想和展望。

导管机器人系统的主从介入

传统的血管微创介入手术过程中医生在手术现场,其不可避免地遭受大量的X射线照射;并且导管的操作难度较大,对医生插管技术要求过高.针对此问题,研制了一种新型的集成有双电磁传感器的可定位导管机器人,并采用D-H法对其进行了运动学分析,同时设计了一套介入装置来代替医生进行导管操作,并通过对主从控制方法的研究实现了该系统的主从介入.在介入过程中,医生通过主手控制介入装置动作来实现导管的推/拉、旋转和弯曲操作,并可在引导图像的辅助下完成插管手术操作.实验表明,开发的可控导管具有较好的操作性能,介入装置实现了3种基本的介入操作,提高了导管的定位精度,同时主从介入方式也保证了医生在手术过程的安全性.

基于WSN的矿井事故搜索探测多机器人系统

为解决煤矿井下事故中环境探测、人员搜索定位、远程通信等问题,建立了一种基于无线传感器网络的子母式多机器人系统,设计了子、母2种机器人构型并具体分析了其越障性能,提出了以子机器人为节点的链状冗余传感器网络结构,建立了一种基于FPGA软核的多传感器接口模块.初步实验证实,这种以移动机器人为节点,采用无线传感器网络技术将多机器人协调控制而实现的矿井搜索探测多机器人系统,能够在井下复杂地形中运动并配置多机器人节点,搭建无线多跳通讯网络,实现井下信息获取和多机器人控制.

六足机器人HITCR-Ⅰ的研制及步行实验

针对六足机器人的非结构化地形步行问题,研制了小型六足机器人HITCR-Ⅰ.设计了基于复合四连杆机构的腿部结构,使其具备全方位的运动能力.为了进一步提高机器人的运动性能,构建了描述六足机器人整体灵活度的表达式,并依据表达式进行了结构优化设计.基于"行为"和"功能"的思想对控制目标进行规划,设计了基于"功能-行为"控制体系构架的运动控制器,结合适应非结构化地形腿部运动轨迹的规划和基于局部规则的自由步态生成,实现了非结构化地形六足机器人有效且稳定的步行.最后通过实验验证了六足机器人系统HITCR-I非结构化地形的步行能力.

基于腹腔微创手术机器人的主从控制技术研究

根据机器人辅助腹腔微创手术任务的特点,采用高性能工业计算机为平台,构建以PCI总线方式通讯、功能可扩展的硬件结构,设计手术机器人主从控制系统.针对传统的基于运动学反变换法的主从控制存在超越函数和存在多解而影响主从响应速度的问题,基于等效微分变换法,提出适合手术机器人的实时主从控制算法.设计了适合手术机器人实时主从控制的实时快速轨迹规划方法,解决经典轨迹规划方法需要预知运动轨迹、离线计算的问题.通过设计数字滤波器,对主手信号进行二次滤波,消除了手术医生手部抖动对手术机器人精度的影响.

面向智能机器人的Teager语音情感交互系统设计与实现

自从Maragos首先提出了Teager能量算子(TEO)后,该算子得到了一系列应用。Teager能量算子的非线性特性,使之能在抑制背景噪声的同时进行信号特征的有效提取。它还保留了倒谱分析方法中的准稳态假设,因而更能有效地表征语音信号的复杂性。探索了基于Teager能量算子的非线性特征对于区分情感语音的有效性,并且进一步将其和普通的声学参数和音质参数相结合,以应用于语音情感的识别中。以HMM和GMM为分类器,选取7种情感设计了4组对比实验,达到最高85%的识别正确率。实验结果表明,将传统的语音情感特征和Teager能量算子的非线性特征相结合,能显著地提高语音情感识别系统的性能。在此基础上,提出了智能情感机器人进行情感交互的框架,设计实现了智能服务机器人的情感交互系统,经过实时情感交互实验验证,该智能服务机器人可以很好地与交互对象进行简单的情感交流。

腹腔镜机器人控制系统的设计及实现

根据机器人辅助微创手术任务的特点设计了腹腔镜机器人控制系统.研究了基于运动控制卡的开放式机器人控制器结构,设计了机器人伺服系统及相应控制器硬件接口,采用面向对象的技术和模块化思想开发了系统控制软件,应用灵活度和可操作度概念建立了腹腔镜机器人的手术规划和控制平台.通过调试伺服参数提高了系统控制性能.实验表明,该腹腔镜机器人控制系统具有稳定性、高可靠性和多任务适应性,满足微创手术需求.

具有面部表情识别与再现的机器人头部系统的研制

研制出具有对人类表情识别和表情再现机能的仿人机器人头部系统,该系统由仿人机器头部本体、图像采集设备、表情及面部器官控制系统、表情识别系统等部分组成;该系统从图像采集装置获得人类表情图像,然后采用SVMs和ASM结合的方法进行视频序列的人脸表情识别,设计了眼球、眼睑、下颚等面部器官和面部表情机构及驱动系统对机器人面部皮肤和头部器官进行运动控制,并根据识别结果,可实现七种不同特征的面部表情的再现。

面向微小型机器人的5.8GHz微波能量传输系统

提出了面向微小型机器人的5.8GHz微波能量传输系统,采用Ritz-Galerkin(RG)方法建立了微波能量传输系统射频整流电路模型,分析了整流二极管的整流性能,得到了输入功率与输出电压、整流效率与负载比之间的关系.设计了八木振子天线,提高了能量接收的定向性.最后搭建了微小型机器人微波能量传输实验系统,开展了利用微波传输能量驱动微机器人的实验,验证了利用微波能量传输系统为微小型机器人供能的可行性.

基于柔性静电吸附技术的爬壁机器人研究

针对灾后搜救及反恐侦查的特殊应用场合,提出了一种新型的爬壁机器人吸附方式—柔性静电吸附。该吸附方式利用电场力作为吸附力,通过柔性电极适应壁面粗糙度。针对柔性静电吸附方式的特殊性,首先分析了静电吸附电极的工作原理,并对其电场分布及吸附电容影响因素进行研究,对吸附电极优化设计方法给出指导。接着,利用BOPP柔性镀铝薄膜制作了吸附电极,并对其性能进行了测试。最后,设计了基于该吸附方式的原理样机机器人,验证了该吸附方式的可行性及广阔的应用前景。

手术机器人运动再现及最优布置系统

针对外科手术机器人培训和术前布置困难的特点,提出了一种辅助医生实施机器人手术培训和优化机器人术前布置的方法。该方法使用位姿分离的运动映射策略建立了虚拟机器人主从运动控制模型,在三维虚拟现实环境中再现了手术机器人的基本动作;以多臂协作能力为目标函数构建了粒子群优化模型,在兼顾手术机器人性能和手术空间内部差异的前提下可以直观地引导医生完成复杂的术前设置工作,优先保证手术空间内部重要区域的多臂协作能力。实验结果表明,基于该方法构建的系统可以准确模拟手术机器人的动作以辅助机器人手术的预演及训练,可以有效获取术前最优布置从而有效地提高手术机器人的工作性能。

空间机器人关节电磁制动器及其实验研究

针对空间机器人可能出现的失电失控问题,设计了一种新型双面摩擦弹簧电磁制动器。该制动器结合了ERA制动器和汽车盘式制动器的优点,相比普通弹簧摩擦制动器,该制动器在相同制动压力下可提供双倍制动力矩。利用有限元法分析了制动器电磁场的静态和动态特性,验证了制动器制动性能。通过对该制动器在真空高低温环境下进行多次制动实验,得到其制动力矩随制动次数变化的关系。根据实验前后摩擦副中各摩擦表面磨损状况的对比分析,找到了制动力矩改变的原因。为了使制动器稳定工作,提出了进行钛合金制动片表面处理以及在安装之前对制动器进行充分跑合的改进措施。

一种鲁棒的室外移动机器人路标定位系统

针对移动机器人室外作业需要,提出了一种对光照度的大范围变化具有良好鲁棒性的路标识别与定位系统.通过近红外光主动照明来降低可见光照度变化和阴影等因素对视觉的影响;利用全景视觉系统获取大范围的路标信息,采用动态大津法实现二值化,突出了光照度不均情况下的路标特征,以提高路标的识别率.室外环境下移动机器人定位实验结果表明,该方法对于大范围变化的光照度具有良好的鲁棒性.

基于Android手机的家用机器人控制技术研究

为了实现智能移动终端对家用机器人的远程控制,给出了一种利用Android手机通过3G网络控制家用机器人的方法。系统采用客户端/服务器结构,利用VLC开源流媒体框架实现实时视频监控。服务器采集的视频采用实时流传输协议(RTSP)发送至客户端。服务器和下位机之间通过RS232串口通信,和客户端之间通过Socket通信。分别在WIFI和3G网络下对系统进行了测试,实现了Android手机对家用机器人的视频监控、运动控制和传感器信息的显示,测试结果表明该方法是有效的。