双套索系统力矩传动特性与摩擦补偿分析

双套索驱动系统因其简单、灵巧以及远距传动的特点被广泛应用于手术机器人以及搜救机器人设计中。由于套索接触面间的摩擦力以及绳索的柔性所产生的非线性特性是这类机器人控制的主要难题。针对现有双套索传动模型只适用于弹性负载,具有明显的局限性的问题,推导任意负载条件下的双套索力矩传动模型。建立双套索传动特性试验平台,通过试验对力矩传动模型进行验证,并讨论双套索力矩传动效率的影响因素。分析系统松弛现象并计算避免松弛所需的最小预紧力。基于力矩传动模型设计一种无末端反馈的摩擦补偿控制器,使系统的输出能跟随期望的力矩轨迹,并通过试验验证该方案的有效性。针对力矩传动特性的研究,为双套索传动机器人的力矩控制提供了理论基础。

校企协同国际化机器人智能装备人才培养模式研究

研究教育国际化视域下的校企协同人才培养模式对于促进高等教育体系改革具有重要意义。针对当前机器人智能装备领域的人才培养现状和问题,从优化校企协同国际化培养方案、建设国际化双师型教学团队、推进创新实践平台建设与资源共享、强化政府的主导、激励与保障作用等方面,阐述了基于校企协同育人的国际化机器人智能装备人才培养模式实施方案,旨在为推进我国高等教育国际化、培养高层次创新实践综合型人才提供借鉴意义。

软质肘关节外骨骼的肌力矩估计与神经网络补偿协调控制

为辅助偏瘫患者进行多模式肘关节康复训练,研制了一种软质肘关节康复外骨骼机器人,并提出了一种基于人体肌力矩估计与自适应神经网络补偿的协调控制策略。利用表面肌电信号来识别人体的运动意图并调整康复训练轨迹,采用Lyapunov方法证明了控制算法的闭环控制稳定性。搭建了实时控制实验平台,并开展了基于运动意图的轨迹跟踪实验与自由主动训练实验。实验结果表明,所提控制策略能保证被动训练过程的轨迹跟踪精度,并且可以根据患者的运动意图调整主动训练过程的运动轨迹,实现不同强度的主动康复训练。

基于屏障Lyapunov函数的上肢康复机器人自适应主动交互训练控制

针对上肢运动功能障碍患者进行辅助康复训练,搭建了一套上肢康复外骨骼机器人系统,并提出一种基于屏障Lyapunov函数的增广神经网络自适应导纳控制策略。首先,介绍了上肢康复外骨骼的机械机构及其控制系统。然后,推演了控制器的设计过程并进行了Lyapunov稳定性证明。最后,分别进行了不同控制内环的轨迹跟踪被动训练实验和不同导纳参数下基于人机交互力的主动交互训练实验,同时分析比对了主动训练时的人机交互力与轨迹偏差的变化关系。被动训练实验结果证明了增广神经网络对人机模型动力学的逼近效果,其轨迹跟踪峰值误差为模糊PID控制器的53%。主动交互训练实验证明了通过调整导纳参数可实现在相同训练任务下不同强度的康复训练以匹配不同康复阶段下的患者。

“互联网+”时代大学MOOC教学模式研究——以《机床数控技术》课程为例

"互联网+"时代中出现的MOOC在线开放教育模式给传统教育带来了重大挑战。"互联网+教育"是基于计算机网络通讯技术的新型教育形态,MOOC教学模式的发展对推进现代教学改革具有重要现实意义。将MOOC教学模式应用于《机床数控技术》课程,可以丰富教学资源,降低受教育成本,激发学习者的学习积极性与主动性,适应教育发展潮流,为我国开放式在线课程的建设和发展提供新视角和新思路。

基于单目视觉的移动机械臂抓取作业方法研究

针对移动机械臂自主抓取作业过程中目标识别慢、作业精度低的问题,对基于单目视觉的目标识别与定位算法以及机器人作业精度提高方法展开了研究。以全向移动平台、工业机器人和单目相机等硬件为基础构建了一套移动机械臂抓取作业系统;对单目视觉模板匹配法进行了归纳,采用基于随机树分类的特征点匹配算法对目标进行快速准确地识别与定位;完成了相机内参数标定和机器人手眼位姿标定,分析了手眼位姿与抓取位姿的关系,提出了一种修正手眼位姿的抓取误差补偿方法,减小手眼标定误差对抓取误差的影响,最后进行了移动机械臂的抓取/放置实验。研究结果表明:采用上述方法能够快速准确识别目标,有效减小作业误差,并达到较高的作业精度。

“大创计划”项目在教育教学中的实施策略

教育部提出实施大学生创新创业训练计划项目以来,学生的参与热情不断提高,各种问题也逐渐凸显,如知识体系缺乏、时间冲突、科研能力与积极性不足等。为实现该计划与正常教育教学过程相互促进,提出自学规划、精选人员、责任分配、导师制度、激励制度、创业评估以及数据库分析等方案,使该项目更有效地实施并切实提升大学生的科研实践能力。

面向航空防护救生的软质外骨骼助力控制策略研究

本文设计了一种面向航空防护救生领域的可穿戴软质外骨骼系统,该系统包含软质外骨骼服、数据采集系统、传感检测模块以及控制模块。提出了基于关节力矩估计的助力控制策略,主要包括对肌电信号的采集、滤波和非线性映射。最后通过试验验证了此系统在轻度、中度以及重度负载下都有一定的助力效果,满足航空防护救生系统减轻飞行员肌肉疲劳,增强其自然作业能力,保证飞行员安全的需求。

“课程+项目+竞赛”三位一体的“专创融合”课程教学改革与实践——以机器人工程学综合课程设计课程为例

在“专创融合”教学改革的趋势下,传统的教学模式已经无法满足创新人才培养的需求。以机器人工程学综合课程设计课程为例,该文设计了以学生为中心、以科创项目和竞赛为牵引的项目式混合教学方法,将创新思维、创新方法与专业教育深度融合,实行以成果为导向的过程化、多元化的课程评价考核方法,构建“课程+项目+竞赛”三位一体的“专创融合”课程教学改革模式,培养学生的协作意识、实践能力和创新精神,丰富学生的科创成果,并助力教师的科学研究,实现教与学的共同获益。

基于变刚度驱动的下肢外骨骼

针对传统刚性驱动的外骨骼在复杂人机交互环境中柔顺性不足、无法保证人体安全等问题,设计一种变刚度下肢外骨骼用于康复训练。提出了一种可重构的变刚度原理,通过调整关节弹簧的预紧力来实现关节刚度的改变,同时通过滑轮组的重构来增大外骨骼的刚度调整范围。基于所提出的可重构变刚度原理,设计了用于驱动外骨骼主动关节的变刚度执行器,并进一步设计了变刚度下肢外骨骼的机械结构。建立了外骨骼的理论刚度模型,并对其刚度特性进行了仿真分析。搭建了变刚度下肢外骨骼的试验平台,对样机的刚度特性进行了试验验证。结果表明,试验得到的刚度曲线与理论模型吻合。基于变刚度驱动的扭矩-偏角特性,提出一种无交互力传感器的外骨骼行走跟随控制方法,并在不同速度下进行了行走跟随试验。试验结果表明,外骨骼与人体的最大交互力矩为0.8243 N·m,证明外骨骼可以跟随人体运动。

上肢康复外骨骼机器人的模糊滑模导纳控制

为了辅助上肢运动功能障碍患者进行不同模式的康复训练,基于上肢康复外骨骼机器人系统,提出了一种模糊滑模导纳控制策略,实现训练过程的人机协调控制.首先,介绍了康复外骨骼的整体结构和实时控制平台.然后,分析了模糊滑模导纳控制算法的推导过程,并根据李亚普诺夫稳定性判据证明系统的稳定性.最后,在不同系统导纳参数条件下,分别进行被动训练模式和主动训练模式实验,并对比分析了实验过程中运动偏差、人机交互力以及肱二头肌表面肌电信号的变化特点.实验结果表明,选择合适的目标导纳模型可以优化康复训练强度与难度,提高人机交互柔顺性与患者参与度,满足不同瘫痪程度和康复进度患者的训练需求.

上肢康复外骨骼重力平衡特性研究

为了辅助偏瘫患者进行上肢运动功能康复训练,研制了一种具有重力平衡特性的上肢康复外骨骼机器人系统.首先介绍了外骨骼的机械结构设计以及基于Matlab/RTW环境的半物理实时控制平台.然后基于辅助平衡法建立了系统重力平衡模型,通过添加零初始长度弹簧以及辅助连杆来平衡外骨骼和人体手臂在康复训练过程中受到的重力.最后通过仿真和实验,比较不同平衡条件下所需要施加的关节驱动力矩和肱二头肌的表面肌电信号强度.在仿真中,重力平衡状态下的平均关节驱动力矩为非重力平衡状态下的14.89%.在两种不同任务的实验中,重力平衡状态下的表面肌电信号强度分别为非重力平衡状态下的57.61%和63.49%.结果表明,实现外骨骼的重力平衡可以有效减小工作过程中的驱动力矩以及能量消耗,并降低对驱动设备的性能要求.

下肢软质康复外骨骼机器人的模糊神经网络阻抗控制

针对脑卒中或交通意外等因素导致的运动功能障碍问题,设计了一种可用于康复训练的可穿戴式的软质膝关节外骨骼机器人.在重点介绍基于Hill肌肉模型的套索人工肌肉驱动系统设计和实时控制平台的基础上,分析了模糊神经网络阻抗控制算法的推导过程.最后,分别在定阻抗与变阻抗参数控制策略条件下,进行人机协同训练模式下的康复训练实验,并对比分析了康复外骨骼系统对受试者肌肉活性的影响.实验结果表明,定频率定幅值训练时的屈/伸扭矩分别增加了9.70%和9.06%,而变频率变幅值训练时的屈/伸扭矩提升了88.34%和57.68%.由此可知,选择符合人体生理肌肉刚度特性的阻抗模型可以改善下肢康复机器人系统的稳定性和安全性,提高人机交互的柔顺性和协调性.