力觉临场感系统的动力学建模及控制策略

由于对主从机器人系统中主从手的动力学控制可使操作者获得对操作物体的力觉临场感,增强其执行复杂遥操作任务的能力．基于该系统在笛卡尔空间的动力学模型,阐述了该系统的控制结构和控制策略．通过分析系统的动力学特性,表明了在不同控制策略下,主从手的动力学特性对操作者力感觉的影响．指出了力反射伺服型系统可以较有效地抑制系统内的动力学干扰     

紧凑型微创手术机器人的设计与实现

紧凑型微创手术(MIS)机器人的开发对微创手术技术的推广具有重要意义.在深入分析造成da Vinci微创机器人体积庞大的原因的基础上,开发了一种紧凑型微创手术机器人系统.通过添加双被动关节的方式实现了机器人从操作手的紧凑设计,并提出了与该从操作手相匹配的运动支点预估算法;针对从操作手的应用需求,设计出一种具有末端自转功能的新型微创器械,该器械有助于降低机器人辅助微创手术的操作难度;结合器械的构型特点,设计了机器人主操手,并建立了微创机器人主从运动映射模型,解决了传统微创手术中存在的眼手运动不一致问题.利用所开发的系统样机进行了系列验证性实验以及动物实验,充分验证了所提出的微创手术机器人设计方案的可行性.     

两指并联微操作手的动力学建模及仿真分析

设计一种由直线超声电机驱动的两指并联微操作手,建立其刚柔耦合动力学模型,并进行仿真分析.采用分支结构建模法,将微操作手分为1个圆盘手指子系统和3个对称的运动链子系统,分别推导其动能和势能,利用拉格朗日方程对微操作手进行动力学建模.构建微操作手的刚柔耦合仿真模型,由反向和向前动力学仿真计算得到电机输入和手指操作末端的位移...     

基于多体理论的虚拟血管缝合分析

针对传统主从式医疗机器人在客观爷件限制的情况下很难实现主从手之间的实时力反馈的问题，提出了通过虚拟现实技术实现虚拟力反馈以替代真实力反馈的方法．以“妙手”系统为研究对象，在建立显微外科手术血管缝合过程中缝合线力学模型的基础上，根据多体系统动力学理论，对由人、互感装置和虚拟环境组成的广义多体系统进行了动力学分析，由凯恩方程建立了该系统的动力学方程．通过主手的仿真数据与从手缝合过程检测数据对比分析可知，主手和从手有相同的运动特性、证明借助虚拟环境的力反馈作用，操作者通过主手可以真实地感受到从手的运动特性．     

多移动机器人双边遥操作系统中反馈力信息设计与研究

为了研究在多移动机器人双边遥操作系统中反馈力对机器人运动性能的影响,设计了一种一对多的遥操作系统半物理仿真平台.同时基于主从端之间速度偏差与障碍物排斥力设计了2种不同的反馈力.在该双边遥操作系统中,主端操作员通过力反馈人机交互设备控制从端多机器人系统的平均速度,从端机器人系统能够响应主端操作员的命令,同时操作员可以借助反馈力感知从端多机器人系统的运动状态.半物理实验结果表明,相比于没有力反馈信息的遥操作系统,多机器人系统的运动性能得到了提高;相比基于障碍物排斥力设计的反馈力,基于主从端速度不匹配设计的反馈力,更有利于从端的多机器人系统避障、跟踪参考轨迹以及主端给出的参考速度.     

基于末端任务特征的操作机构型综合

依据锻造操作机的末端运动特征与输入和输出关联特性,将构型任务分为3组。建立机构运动输出特征矩阵,以有序单开链单元作为设计目标对主运动机构特征进行构型综合,然后基于系统整体特性与操作机极端服役环境对3组特征进行整合构造,最终得到众多操作机整机构型。分析了部分具有代表性的典型机构与新型机构的输入和输出关联特性与控制解耦性。结果表明,就控制解耦性而言,所综合出的部分新构型要优于传统构型。     

机械手夹持机构运动与控制的联合仿真

设计一种基于凸轮运动原理的简易机械手夹持机构,以期将其应用于机械臂的末端夹持装置和管道攀爬机器人的手爪。建立夹持机构的简化三维模型,在ADAMS环境下对其进行运动学与动力学仿真。通过ADAMS／Control接口模块,在Simulink中搭建夹持机构的联合仿真控制系统,利用三闭环PID控制方法进行机械系统与控制系统的联合仿真分析。仿真结果表明,所设计的夹持机构系统具有良好的动态响应和轨迹跟踪特性。     

多臂机器人系统的动力学分析与实验

多臂机器人系统的两个或多个臂协同夹持一物体时，系统形成闭环构造，可视其为具有约束的多体系统．本文基于ｋａｎｅ方程，实现了约束多体系统的动力学分析．通过引入正交补矩阵，形成多臂机器人系统的主导方程．以双臂协同夹持刚体为例，讨论了系统的动力学特性．数字仿真结果与实验结果吻合较好     

模糊-PID挖掘机器人主从控制系统开发

结合传统PID与模糊控制算法优点设计了基于模糊-PID算法的挖掘机器人工作装置主从同步控制系统.采用编码器测得从端各工作装置相对转角,根据转角误差大小确定采用模糊还是PID控制算法,从而实现主从端同步运动.实验证明:该主从端同步控制系统安全可靠,控制精度高,主从端同步性好.     

输电线巡检机器人动力学建模与DME评价

以新设计的输电线巡检机器人为具体研究对象，采用D-H法推导出机器人的雅可比矩阵；然后建立输电线巡检机器人的Lagrange动力学模型，进而依据机器人动力学模型求得输电线巡检机器人的操作臂惯性矩阵，提出了基于操作臂惯性矩阵所建立的机器人动力学评价指标:动态可操作性椭球(DME:dynamic operability ellipsoid)评价指标；最后结合逆运动学的反解，建立了不同空间轨迹坐标下的动态可操作性衡量指标，获得机器人动力学性能最佳的越障轨迹.通过机器人跨越绝缘子障碍的实验证明了所提动力学评价方法的有效性.     

主-从机器人双向伺服控制方法研究

设计了液压伺服主、从机器手,并对力觉双向伺服控制算法进行了研究与实验.由于零开口对称伺服阀的结构特点使得主机器手控制力不能直接驱动本身执行器,而需要主机器手控制力信息通过控制器来间接驱动,这一过程必然影响控制系统的响应速度.通过采用主、从机器手的力偏差信号控制从机器手,用主-从机器手的位置偏差信号控制主机器手的力觉反馈.这种新控制策略改变了从机器手跟随主机器手,主机器手感受从机器手力的常规控制模式,提高了主-从控制系统的响应速度,并可根据主机器手对从机器手的跟随来判断从机器手是否出现干涉等,对力感觉机器人双向控制理论研究与实践有一定的借鉴作用.     

A force feedback master finger in exoskeleton type

In order to eliminate the drawbacks of conventional force feedback gloves,a new type of master finger has been developed.By utilizing three"four-bar mechanism joint"in series and wire coupling mechanism,the master finger transmission ratio is kept exactly 1:1.4:1 in the whole movement range and it can make active motions in both extension and flexion directions.Additionally,to assttre faster data transmission and near zero delay in the master-slave operation,a digital signal processing/field programmable gate array(DSP/FPGA-FPGA)structure with 200μs cycle time is designed.The operating modes of the master finger can be contact or non-contact,which depends on the motion states of a slave finger,free motion or constrained motion.The position control employed in non-contact mode ensures unconstrained motion and the force control adopted in contact mode guarantees natural contact sensation.To evaluate the performances of the master finger,an experiment between the master finger and a DLR/HIT dexterous finger is conducted.The results demonstrate that this new type master finger can augment telepresence.     

可视化技术在柔顺性触觉研究中的应用

触觉可视化是利用虚拟现实技术将图形显示和触觉显示相结合,为主控端操作者提供操作环境的模拟信息.本文介绍了触觉可视化的研究特点、应用前景,总结了四种系统的优缺点并对系统性能进行比较.最后总结了触觉可视化技术的发展趋势.     

电静液执行器双向远程控制的位置跟踪精度研究

电静液执行器(EHA)的位置跟踪精度常会受到系统中的不确定性影响.提出了一种基于定量反馈理论(QFT)的鲁棒位置控制器，能利用系统样本来描述操作者、主动机械手以及环境中存在的参数不确定性，以定量计算设计边界，可视化地调节系统稳定性和透明度，从而改善了EHA双向远程控制的位置跟踪精度.应用该控制器，基于EHA实验台和触觉力反馈设备，针对四种常用双向控制方案进行与软硬环境的接触实验，结果表明四种方案中FR方案结构简单兼具良好透明度，最适于EHA的远程控制.     

连梁装置游间量设置对弯桥动力特性的影响

基于某两联曲线弯桥建立了计算模型,分析其在罕遇地震作用下碰撞反应特性,明确了该曲线弯桥的动力响应机制.基于梁间连梁拉索装置的设置,研究游间量对曲线弯桥动力特性的影响.研究表明：地震波的频谱特性对曲线弯桥碰撞反应影响显著,在远场地震作用下,梁间碰撞频率增大,但碰撞冲击力减小;随着连梁装置游间量的增大,游间量值对连梁拉索轴力的影响减弱,对梁间碰撞力的影响增强,梁间碰撞力增大,但碰撞次数基本无变化;游间量对墩底塑性开展影响显著,随着游间量的减小,曲率延性需求系数降低,较无连梁装置时减少62.5%.     

仿生柔性操作器机构的研究

本文从正常人手的结构特点出发,分析了手指基本运动下各关节弯曲角之间的关系.据此,提出一种具有三个指关节的柔性操作器模型,并对其机构姿态在外力作用下或者外界约束下的变化作了定性的分析.该操作不仅能较为逼真地模拟人手的自由伸屈或抓取等动作,而且可以包络方式抓取多种外形物体并实现增力要求.另外,针对柔性操作器的结构特性,文中还对该柔性机构的综合方法进行了论述,提出了两种基本综合方法:弹性元件选择法和结构参数优化法.     

机械手夹持接触力及力封闭分析

为合理确定机械手稳定夹持时的夹紧力,采用弹性线接触理论计算在工件上施加预紧力后机械手V型体与工件之间的接触压力,并分析手指处于不同工况位置时接触压力的变化,在此基础上计算不同工况位置时指端两v型体的夹紧力.以力螺旋理论为基础,建立手指与工件的接触模型,应用力封闭原理分析稳定夹持时接触压力与工件外力之间的关系,提出手指夹持工件时的稳定性判定方法,并针对实例计算接触力及夹紧力.研究结果表明:该方法可以用于准确计算V型体的夹紧力,并进行力封闭性判别,能够为机械手结构设计及其控制系统设计提供可靠的参数值.     

Controller Design for a 3 D.O.F Haptic Interface Device

This paper presents a novel 3 D.O.F haptic interface which is designed to meet the interaction requirement of teleoperation tasks and virtual reality applications. The mechanism design takes the operability into consideration such as adopting steel cables as transmission components and mass balances to eliminate the gravity effect and so on. The dynamics of haptic interface including actuating device is also studied. In order to provide operator with fidelity kinesthetic information, we design a force controller using self-learning fuzzy logic control. The simulation result verifies the effectiveness of the control method