桥梁检测轻质长臂机器人设计与试验研究

针对高墩、高厚度桥梁主梁底部表面快速、高效的检测需求,提出一种搭载在轻型移动平台上的电驱动轻质长臂机器人。通过合理的机构构型设计、结构优化设计实现了长臂机器人本体的轻量化,该机器人搭载在轻型移动平台上,可沿人行道行走,并能在桥检现场快速布置开展检测作业。实际运营公路桥梁的拍照检测试验表明:1)机器人在桥面上稳定停靠后,可通过运动规划展开到位;2)利用其末端配备的视觉检测云台,实现对主梁底部的拍照详检;3)初步验证了长臂机器人作业能力和检测功能,为未来实现大型桥梁主梁的自动化检测作业奠定基础。

基于时间最优的机器人位姿同步轨迹规划方法

为提高工业机器人在工作空间的运行效率,提出了一种在笛卡尔空间实现位姿同步的时间最优轨迹规划方法。该方法采用三次均匀B样条曲线对机器人末端路径点进行位姿同步的路径插值;以减小运动时间为优化目标,在满足关节运动学约束的条件下,采用线性规划对离散后的笛卡尔空间参数化轨迹进行逆向与正向递推,求解路径参数的相平面图。基于路径参数的相平面图,通过雅可比矩阵计算关节速度进行时间最优速度规划。针对所提方法进行实验验证,结果表明该方法在满足机器人实际运动性能的前提下达到了时间最优。

悬索桥机器人巡检技术研究

针对悬索桥大尺度、结构复杂、检测盲区问题,采用BIM技术对悬索桥的机器人巡检技术进行探讨。根据悬索桥结构特点、机器人特点分析了悬索桥检测要点及机器人总的巡检实施流程,研究了机器人在巡检中坐标系建立、路径规划问题,利用Matlab开展了巡检仿真模拟,通过悬索桥BIM模型获得待检区域索塔的基本信息并建立栅格地图,推演无人机、爬壁检测机器人等的合理检测路径,进而探讨了主梁及主缆的检测路径。研究表明,采用BIM技术有助于实现悬索桥多机器人检测的全局规划,可提高巡检效率和覆盖率,从而保证检测数据的完整性,是机器人巡检的必要方法。

水导激光烧蚀碳化硅仿真与实验研究

目的探究碳化硅水导激光加工烧蚀机理。方法采用实验与仿真相结合的方式对碳化硅烧蚀过程进行研究分析。结果水射流持续冷却作用极大地降低了碳化硅加工过程中的热累积效应,通过烧蚀阈值计算方法得到了多脉冲水导激光烧蚀碳化硅功率阈值(约为0.1565 W),烧蚀阈值基本不随脉冲数的改变而发生波动。通过对碳化硅刻蚀形貌进行分析发现,烧蚀宽度随着脉冲数整体在3.1~4.1μm之间波动,基本不受脉冲数的影响,烧蚀深度随着脉冲数的增加而增大,但随着烧蚀深度的增加,水导激光烧蚀能力逐渐被削弱,适当增加激光功率可以抑制水导激光烧蚀能力减弱的趋势,通过较大的激光功率更易加工出深宽比较大的沟槽。确定了碳化硅烧蚀功率与烧蚀直径之间的等量关系,通过激光功率能够合理预测烧蚀宽度,经与实验结果进行对比发现较符合,这也间接说明脉冲数对于水导激光烧蚀直径不是主要影响因素。碳化硅水导激光刻蚀截面呈现倒梯形,由于水射流冲刷作用的存在,重凝物质无法富集在材料表面,使得SiC烧蚀表面与未烧蚀区域之间过渡较为平滑,沟槽侧壁带状条纹特征也证实了水射流冲刷作用的存在。结论水射流冷却及冲刷作用的存在,使得水导激光在加工硬脆性材料具有独特的优势,能够实现对硬脆性材料的无裂纹及无热影响区加工。

伤员运载机器人楼梯环境运动稳定性

针对伤员运载机器人在楼梯环境的运动稳定性问题,分析机器人各关节运动对机器人运动稳定性的影响,建立机器人运动学模型。结合稳定锥方法与伤员运载机器人实际结构,通过MATLAB软件计算分析重心调整机构对机器人稳定性的影响,验证机器人通过重心调整后上楼梯运动的稳定性。仿真和实验表明,伤员运载机器人的重心调整机构能够有效地调整机器人的重心,调整后的机器人能够稳定地在楼梯环境中将伤员运出。

基于救援机器人的人体关节点检测方法

为了使救援机器人在危楼环境下能够精确地检测人体关节点,以代替救援人员进入危险现场,提出了一种基于救援机器人的人体关节点检测方法。首先,通过Kinect相机获取人体关节点检测数据,采用归一化的方法对关节点数据进行平滑预处理。其次,对预处理数据加入人体关节长度约束和关节旋转角约束,从而生成每个人体关节点空间位置。最后,采用Tsai方法进行手眼标定,得到机械臂和伤员之间的距离。实验结果表明该方法在危楼救援环境下能够准确测量伤员关节点位置,验证了所提出检测方法的有效性。

基于能量的蛇形机器人蜿蜒运动控制方法的仿真与实验研究

能量作为最基本的物理量之一,联系着蛇形机器人蜿蜒运动的各个方面.能量耗散描述了环境交互作用,能量转换对应着运动的动力学过程,能量平衡反映了蜿蜒运动的协调性.提出一种基于能量的蛇形机器人蜿蜒运动控制方法被动蜿蜒.通过输出关节力矩控制机器人蜿蜒运动,由机器人的能量状态调整力矩的大小.仿真结果显示了被动蜿蜒控制下机器人的构形、角度、力矩、能量状态和转弯特性,并对控制力矩进行了递归分析.基于Optotrak运动测量系统构建了被动蜿蜒控制的模拟/物理混合实验系统.进行了移动实验和拖动实验,前者改变环境的摩擦特性,后者改变机器人的负载.仿真和实验验证了蛇形机器人被动蜿蜒控制的有效性和适应性.

旋翼飞行机器人系统建模与主动模型控制理论及实验研究

为解决旋翼飞行机器人全包线飞行中的参考模型辨识问题和由飞行模态转换、内外部扰动,以及动力学时变所产生的模型失配问题,并消除模型失配对基于参考模型所设计的飞行控制器造成的跟踪性能的影响,本文提出了基于悬停参考模型的系统辨识和主动模型的在线控制策略.通过改进的频域辨识方法和半解耦的简化模型结构,在悬停模态下进行模型拟合和全包线飞行的模型差分析,然后结合自适应集员估计(Adaptive set-membership filter,ASMF)方法提出模型差的在线估计和控制补偿策略来应对统计学未知且有界(Unknown but bounded,UBB)的模型差,以此消除上述模型失配对名义控制器理想条件的破坏所造成的控制性能降低.最后,通过在ServoHeli-40旋翼飞行机器人平台的实际飞行对比实验,验证了所提出方法的有效性和现实可行性.

基于机器学习的注意力缺陷多动障碍风险预测研究

目的探讨基于机器学习算法对儿童注意力缺陷多动障碍(ADHD)预测的可行性。方法回顾性分析我院于2022年11月至2023年8月儿科门诊就诊患者358例,其中ADHD患儿119例,非ADHD患儿239例,以人口学基本信息、儿童个人生活情况、母亲孕期情况、家庭生活情况及遗传因素等31个变量作为危险因素,采用单因素分析筛选出具有明显差异的变量,然后分别建立决策树模型、随机森林模型、自适应提升算法及K近邻算法模型,采用受试者工作特征(ROC)曲线的面积(AUC)、特异度、准确性、F1分数及ROC曲线等进行模型预测效能评估。结果4种机器学习算法建立的ADHD的预测模型以随机森林算法最优,其AUC为0.955,特异度、准确性、F1分值分别为0.903、0.898、0.853;同时,根据随机森林模型筛选出的前五位特征变量为:教育方式、情绪稳定情况、每日看电子产品时长、学习困难情况、近期反复呼吸道感染。结论初步构建出基于机器学习算法建立儿童ADHD的预测模型,该模型对ADHD有良好的预测能力。

人工智能在月面机器人领域的前沿探索综述

随着人类对月球探索的不断深入,对月面机器人智能化和自主性的需求日益增加。为推动其在月球探索、资源利用和科研站建设中的应用,对月面机器人和人工智能技术进行了系统研究。按照月面机器人自主行为、多机器人协作和人机交互三大方面分析了人工智能在行星探测中的研究进展和潜在应用价值。最后,展望了智能化月面机器人的未来发展方向,为行星探测和未来空间探索提供了参考。

基于光诱导介电泳的微粒自动化操作实验研究

采用等离子体增强化学气相沉积方法(PECVD)制备了氢化非晶硅(a-Si∶H)光电导薄膜,并利用双面胶技术封装ODEP芯片。构建了包括光投影模块和视频监控模块的ODEP自动化操作实验平台。以聚苯乙烯微粒为操作对象,进行微米尺度粒子的ODEP自动化操作实验,并深入研究了交流电压、投射光颜色和光电极形状对微粒运动速度的影响。实验结果表明,在交流电压频率和投射光颜色相同的条件下,粒子的运动速度与交流电压的幅值成线性关系,施加的交流电压幅值越大,微粒的运动速度越大。在交流电压的幅值和频率相同的条件下,投射光为白色时,粒子的运动速度最大;投射光为蓝色时,粒子的运动速度最小。当投射光为白光,电压为20V,频率为20kHz时,10μm和20μm聚苯乙烯微粒的最大运动速度分别为143μm/s和158μm/s。

一种机器人倒立摆实验系统的研究

串联6自由度工业机器人是工业自动化的核心装备,因此,讲授其工作原理的机器人学课程是众多机器人相关专业的核心课程之一.当前的机器人学课程存在工业机器人控制系统封闭,无法支持底层控制算法开发测试的问题.此外,单纯地对机器人控制算法进行计算机仿真也存在着不够直观感性的问题.本文介绍了一种采用工业机器人硬件本体,并基于Matlab/Simulink软件建模和自动代码生成,进行开放式机器人学算法验证的教学系统,最后以机器人倒立摆控制的验证与实现为例,介绍了教学系统的具体应用,证明了开放式机器人教学系统具有教学适用性、开放性、可扩展性和友好的人机交互等特性,在培养学生设计、开发和验证机器人控制算法方面有着积极的意义.

康复机器人与智能辅助系统的研究进展

我国正面临日益严重的老龄化问题和数量庞大的残疾人群,康复机器人与智能辅助系统的研究开发和应用有望为解决养老、失能辅助和康复问题提供部分技术手段.康复机器人与智能辅助系统涉及医学、信息、机械、电子、材料、力学等多个学科领域,其研究与开发也面临诸多挑战和困难,本文从"康复机器人及多种康复训练模式"、"智能辅助系统与生机电技术"、"康复与辅助相关的多模态传感与控制方法"、"外骨骼和可穿戴系统、智能假肢与人机安全性"等方面介绍和讨论康复机器人和智能辅助系统的问题和研究进展,以期为未来康复机器人和智能辅助系统的研究与开发提供些许借鉴.

基于动力学与控制统一模型的蛇形机器人速度跟踪控制方法研究

对带有被动轮的蛇形机器人进行速度跟踪控制时,利用传统的动力学建模方法得到的动力学方程复杂且不利于控制器的设计.本文基于微分几何的方法将带有被动轮的蛇形机器人动力学投影到速度分布空间中,得到了动力学与控制统一模型,更有利于速度跟踪控制器的设计.考虑到蛇形机器人在进行速度跟踪时容易出现奇异位形,提出增加头部扰动速度的方法.基于头部扰动速度和统一模型,提出避免奇异位形的速度跟踪控制方法,最后通过逆向动力学得到控制力矩.文中对速度跟踪控制进行了数值仿真和实验验证.仿真和实验结果表明,提出的速度跟踪控制方法能够跟踪想要方向的速度,并且在跟踪过程中可以有效地避免奇异位形.

上肢康复外骨骼机器人控制方法进展研究

上肢康复外骨骼机器人主要用于为上肢运动功能障碍患者提供科学有效的康复训练,以实现患肢运动功能恢复及日常生活自理。该文从控制策略的角度综述了近年来上肢康复外骨骼机器人的研究进展。首先,从不同时期的康复治疗需求的角度出发,对已有的控制策略进行主动、被动控制分类,并对不同的控制方法进行概述,分析了各控制方法的当前研究现状。最后,对上肢康复外骨骼机器人发展中一些关键的挑战进行讨论并展望了未来的研究方向。

自主/遥控水下机器人研究现状

在过去的二十年中,水下机器人技术得到了快速发展,各种新型的水下机器人不断涌现。本文介绍了一种新型混合式水下机器人——自主/遥控水下机器人(ARV),ARV结合了自主水下机器人(AUV)和遥控水下机器人(ROV)的特点,自带能源并携带光纤微缆,具有多种工作模式,可实现大范围的精确调查和局部区域的定点作业,文章重点介绍自主/遥控水下机器人的国内外研究现状及成功应用的案例。

便携式自主水下机器人动力学建模方法研究

针对50 kg级便携式自主水下机器人(AUV)的精确控制和研究,介绍了一种基于计算流体力学(CFD)和非线性最优化辨识的动力学建模方法,着重推导了便携式AUV动力学模型,并使用计算流体力学方法代替水池实验获取辨识所需数据和通过非线性最优化方法获得合适的模型结构和模型参数。最终建立了便携式AUV数学模型,并通过对仿真数据与实验数据的对比,证明了该模型及方法的有效性。

基于打磨机器人的力/位混合控制策略研究

根据打磨机器人作业对位置和力同时控制的要求,在分析了基于位置伺服力/位混合控制策略的基础上,对基于速度伺服的力/位混合控制策略进行了研究,对测量的力信号进行了滤波、重力补偿及传感器坐标系标定等处理,以提高所测力信号的抗干扰性和准确性。仿真结果表明:该方案可以满足打磨机器人对位置和力分别控制的要求。

视觉技术在机器人零部件装配中的应用研究

为了实现机器人生产线上零部件的自动化装配,对机器视觉在工业机器人底座与一轴减速器装配中的应用进行了研究。针对底座位姿识别,提出了基于Hough变换的底座表面圆形特征识别算法。针对减速器在相机视场中因为镜头曲率原因无法通过圆识别检测其外侧安装孔的问题,提出了基于链码的姿态识别算法。分析了视觉算法库Open CV中的摄像机模型。最后通过实验对视觉算法进行了验证,实验结果表明视觉算法稳定、可靠,配合高精度大负载工业机器人的应用,实现了底座与减速器的智能装配。

模块化可重构机器人标定方法研究

针对模块化可重构机器人模块级参数标定问题开展相关研究。采用旋量的指数形式对关节模块、连杆模块、模块间装配方位及由关节模块和连杆模块组成的子装配体进行数学描述,分别给出基于模块和子装配体的模块化机器人运动学模型,并对关节模块、连杆模块、子装配体及机械臂进行误差分析。建立子装配体和机械臂间的误差模型,给出一种用子装配体标定的可考虑多个机械臂装配结构信息的联合标定模型及标定流程。建立模块和子装配体间的误差模型,给出一种用于模块参数标定的可考虑多个子装配体装配结构信息的联合标定模型及标定流程。结合两种联合标定模型,提出一种可用于补偿多个模块化机械臂位姿误差的模块参数的两层式迭代标定方法。仿真试验表明标定方法是稳定的,标定结果可有效地实现多个机械臂位姿精度的补偿。