人工协调场及其在动态不确定环境下机器人运动规划中的应用

针对动态不确定环境下移动机器人运动规划问题, 提出了人工协调场的方法. 建立了协调力, 并设计了协调场能随机器人和环境的状态发生变化, 以克服传统人工势场法在动态不确定环境下所存在的诸如局部极小、抖动等问题. 和传统人工势场相比, 协调场具有二维正交力矢量. 基于协调因子的实时决策模型, 方便并简化了机器人的行为设计, 有效地克服了局部极小. 重点分析了人工协调场的可控性、自适应性、安全性和可达性等性质及其设计, 并实现了移动机器人在动态不确定环境下基于人工协调场的运动规划. 理论分析和仿真实验结果证明了所提方法的有效性.     

肠道内多胶囊机器人的控制策略

针对肠道胶囊机器人的临界间隙现象,研制了一种具有径向间隙自补偿功能的变径胶囊机器人,应用泛函变分原理,建立了满足胶囊机器人外螺旋肋表面边界条件的流体动压力模型,基于端部效应和机器人外表面流体的动态平衡特性,对胶囊机器人的临界间隙现象进行了理论与试验研究,定义了启动转速的概念,对螺旋参量与启动转速的关系进行了研究,提出了同一磁场下对多个胶囊机器人实施驱动控制的方法,并以启动曲线具有相似运动规律为目标函数,通过遗传算法（GA）对多个胶囊机器人的螺旋参量进行了优化设计,试验表明能有效的对多个胶囊机器人实施驱动控制,实现人体肠道内多个不同医疗目标胶囊机器人的驱动与控制,具有良好的医学应用前景.     

基于分组拍卖的集群机器人启发式图形构造算法

集群机器人的图形构造问题是指通过控制集群机器人的运动趋使其形成一个特定的图形.集群机器人中的图形构造问题通常可以分解为两个子问题:机器人与目标点之间的任务分配以及机器人与目标点之间的路径规划.根据集群机器人图形构造问题规模大、易拥堵、碰撞的特点,提出了一种集中优化、分组拍卖以及分布式交互相结合的OGADI(optimized grouping auction and distributed interaction)方法,以缩短图形构造的完成时间.将OGADI算法与最短路径集诱导顶点排序算法对比,结果表明,在集群机器人规模分别为500, 1000, 1300下, OGADI算法图形构造任务平均完成时间分别缩短了16.1%, 13.6%, 14.4%,仿真验证了OGADI算法的可行性和有效性.     

平推无扰曲线及其在机械臂无扰运动规划中的应用

为扩展对空间自由漂浮机械臂系统进行的载体姿态无扰运动规划的可解空间,提出一种新的运动规划方法.首先,首次提出一类平推无扰曲线,利用自由漂浮机械臂系统的非完整约束推导了平推无扰曲线满足的方程,并分析了平推无扰曲线的特性;其次,将满足载体姿态无扰的关节运动曲线分为两段,其中一段是经过目标点的平推无扰曲线,另一段是通过初始点并且和平推无扰曲线相交的一般无扰曲线;最后,基于Gauss伪谱法和直接打靶法的混合规划策略求解一般无扰曲线.数值计算的结果表明,本文提出的方法能够快速有效实现机械臂的无扰运动规划,并且该方法的可解空间几乎可以覆盖机械臂系统的整个工作空间.     

且群机器人队形控制的人工力矩法

为了得到一种一般性的队形控制方法,首先给出了一种新的队形表示图：吸引线段式主．从队形图和组群机器人的系统模型．然后基于上述成果和文中定义的两种人工力矩：主吸引矩和从吸弓l矩,提出了一种新的队形控制方法：人工力矩法．文中介绍了该方法的基本原理,并给出了机器人运动控制器的数学模型．最后运用Liapunov稳定性定理证明了系统的稳定性并给出了仿真．理论和仿真结果表明,给出的队形表示图和队形控制方法是可行且有效的．     

液态金属双流体机器人

自20世纪以来,机器人不断被广泛应用于生产制造、生活服务等诸多领域.传统刚性机器人受自由度限制,难以适应非结构化动态未知的复杂环境,而柔性机器人由于自身的灵活性以及对环境的适应性,在近年来引起广泛关注.室温液态金属兼具金属和流体的良好特性,如优良的导热性、导电性、流动性以及低毒性;同时,这类材料由于自身的柔性,在机器人领域的应用备受关注.典型的液态金属驱动方式主要有电驱动、磁场驱动和化学驱动,然而,它们大多需要在溶液环境中进行.从新的角度出发,本文提出了一种基于镓基液态金属双流体驱动的滚动机器人,通过液态金属在螺旋管中的运动实现对装置重心的改变,由此推动整个装置实现快速地滚动前行.这种双流体驱动方式利用液态金属密度大的特点,使得相应的液态金属机器运动摆脱了之前所依赖的溶液运行环境.本文针对基于镓基液态金属的双流体驱动,包括热驱动和化学驱动,从理论上分析了这两种不同的动力源工作方式,具体设计了原型实验装置.所开展的一系列概念性实验澄清了影响装置运动的各种因素,证实了双流体驱动方法的可行性和良好前景,可望为室温液态金属在机器人领域的应用提供一种新的思路.     

仿尺蠖步态的爬杆机器人的动态仿真研究

以仿尺蠖步态的爬杆机器人为研究对象,对其机械结构及行进步态进行了分析,并进一步利用ADAMS软件建立了该仿生机器人的虚拟样机,对该仿生机器人进行了动态模拟仿真实验。研究了在爬杆过程中仿生机器人头部与尾部的速度及位移随时间的变化关系,以及该仿生机器人对变直径工作杆的适应能力,同时分析了不同摩擦材料制成的自锁机构对机器人运动特性的影响。仿真结果表明：该仿生机器人对于直径在一定范围内变化的工作杆有着较好的适应能力,且自锁机构的静摩擦系数为影响该机器人运动特性的关键参数。     

肠道内变径胶囊微机器人空间磁力矩特性

提出一种以相邻异向径向磁化瓦状多磁极组成的圆筒式永磁体为外驱动器,以胶囊机器人内嵌同磁极结构永磁体为内驱动器,在外驱动器旋转磁场的磁机耦合作用下,驱动变径胶囊机器人在肠道内旋进的驱动控制方法．根据等效磁荷法建立了偏心状态下磁驱动力矩普遍性数学模型,对驱动力矩与驱动器磁极结构参数的特性进行了研究,试验表明该驱动方法具有驱动力矩大、安全可靠等优点,变径胶囊机器人由径向间隙自补偿,显著提高了在肠道内的驱动能力,该磁驱动系统在人体肠道内具有良好的医学应用前景．     

基于二维Chirp-Z变换的前视FMCW雷达成像新方法

机载前视成像作为一种全新的成像雷达工作模式,与调频连续波技术的结合有着诸多的优势.本文以"一发多收"系统为研究对象,根据其成像几何模型给出了基于调频连续波的前视雷达回波信号表达式,利用双基等效单基原理,将回波信号等效为"自发自收"系统时的情况,同时分析了载机在发射信号和接收信号过程中连续运动带来的影响–产生多普勒频移,以及对其近似补偿方法.在此基础上,本文提出了一种针对调频连续波前视雷达成像的基于二维Chirp-Z变换变标的成像算法,给出了算法的完整推导过程和各补偿因子的表达式,整个算法只包含Fourier变换和复乘操作,不涉及插值,易于工程实现.最后仿真数据处理结果验证了本文分析的正确性和算法的有效性.     

地球多体系统的运动惯量研究

概述了地球多体系统圈层块体运动惯量一次矩和质心,介绍了地球多体系统圈层块体运动惯量的应用;详细阐述了地球多体系统圈层块体运动惯量的惯性矩和惯性积;地球多体系统圈层块体运动惯量的惯性并矢式、运动惯量参考系的变换和地球多体系统圈层块体运动惯量的平行轴定理,为地球多体系统动力学模型研究提供理论基础.     

具有环境适应能力的蛇形机器人仿生控制方法

基于生物学原理,本文构建了一种能够产生蛇形机器人多种仿生步态的多模态中枢模式发生器模型.该模型通过外部激励的引入,可以实现蛇形机器人运动形式的自由调整和转换,有助于提高蛇形机器人的环境适应能力.文中主要针对任意节数的多模态中枢模式发生器模型的稳定性进行了证明;分析了多模态中枢模式发生器模型参数对系统输出的影响;研究了蜿蜒运动中环境参数与蛇形机器人关节最优幅值的对应关系,从而确定了多模态中枢模式发生器幅值优化调整策略;并通过建立外部激励与模型参数之间的约束,使得蛇形机器人在多模态中枢模式发生器控制下具有三维运动能力以及相应的环境适应能力.最后,利用蛇形机器人平台验证了仿生控制方法的有效性以及与生物蛇步态的相似性.     

基于视觉推理的机器人多物体堆叠场景抓取方法

基于视觉的机器人抓取方法是研究智能机器人抓取问题的重要思路.本文提出了一种基于机器视觉推理的适用于多物体堆叠场景的机器人抓取方法,算法包含了场景理解和抓取规划两个步骤.在第一步的场景理解中,本文的算法包含两个主要部分:视觉操作关系推理和抓取部位检测.在视觉操作关系推理中,本文提出了一种基于深度卷积网络的视觉操作关系网络(Visual Manipulation Relationship Network, VMRN),以对物体和操作关系进行实时推理.在视觉操作关系网络中,通过设计物体对池化层,实现了物体检测和操作关系推理的端对端训练,提升了算法的速度和性能.在第二步的抓取部位检测中,本文提出了基于有向锚点框的全卷积视觉抓取部位检测网络,实现了对物体抓取部位的实时检测,并在康奈尔抓取数据集上取得了目前最高的精度.在抓取规划中,通过结合场景深度信息和抓取部位检测结果,获取当前被抓取物体的抓取点和对应的抓取向量,并通过坐标系变换将Kinect坐标系的抓取向量映射为机器人坐标系的抓取向量,完成当前抓取.实验结果表明,本文提出的机器人抓取方法能够在多物体堆叠环境下按照正确顺序完成抓取任务,并成功抓取目标物体.     

凸多面体之间的伪最小平移距离：I.定义及其性质

定义了凸多面体之间的伪最小平移距离，分析了它与Euclid度量意义下最小平移距离的上、下界关系及其关于多面体钢体运动的Lipschitz连续性、可微性等性质，给出了伪最小平移距离及其导数的计算方法，研究结果可应用于机器人无碰撞运动规划等领域。     

全局环境未知时基于滚动窗口的机器人路径规划

研究了全局环境未知时机器人的路径规划问题,借鉴预测控制滚动优化原理,提出了基于滚动窗口的移动机器人路径规划方法.该法充分利用机器人实时测得的局部环境信息,以滚动方式进行在线规划,实现了优化与反馈的合理结合.探讨了规划算法的收敛性.     

凸多面体之间的伪最小平移距离——Ⅱ. 机器人运动规划

应用凸多面体之间的伪最小平移距离实现了机器人无碰撞运动规划的势场法与假设 修正法.主要研究内容包括： (ⅰ) 论述了势场法与内点罚函数法之间的关系,给出了C空间中可微势场的构造方法,并提出势场局部极值处理的虚拟障碍方法;(ⅱ) 应用伪最小平移距离的Lipschitz性及可微性,研究了假设 修正法中假设子路径检验及中间点生成方法.     

具有自适应能力的轮-履复合变形移动机器人的移动机构与地面约束关系分析

针对非结构环境中路面软硬相间、平坦与崎岖并存的地形特征,提出并研制出一种对非结构环境具有自适应能力的轮-履复合变形移动机器人（NEZA-I）.NEZA-I由控制系统单元、尾轮单元和两个相同的可变形轮-履复合（Transformable wheel-track,TWT）移动模块组成.每个TWT模块能够在一个驱动力的作用下以轮式和履带式两种运动模式在复杂路面上运动,也能根据地面约束力而改变运动模式（即＂轮式-履带式互换＂）和调整运动姿态（即＂改变履带几何形状＂）.本文旨在介绍NEZA-I机器人的基本结构、驱动系统原理、运动模式及姿态,分析TWT模块内部构件之间运动关系,建立NEZA-I在一些典型的运动情形下移动机构与地面之间的约束关系的数学模型,探究TWT模块内部机构参数对机器人环境自适应性能的影响,优化机构参数.实验表明：NEZA-I移动机构平台具有较强的环境自适应性和越障性能,机构参数的优化结果是合理的,所建立的相关数学模型及参数的分析方法是正确的.同时也验证了NEZA-I自适应移动机构平台概念的可行性,从机构学的角度为机器人环境自适应性的研究提供一个思路.     

基于动态规划的多无人机通信连通性保持研究

随着无人机技术的逐渐成熟,制造成本不断降低,无人机在多个领域得到广泛应用,如农业、工业、安全、军事等.而无人机在执行任务时,往往需要与地面基站保持通信的连通性.但在距离较远或有遮挡情况下,信道质量将严重下降,这对通信连通性的保持提出挑战.针对该问题,本文考虑部署多架无人机作为通信中继,以串联方式构建任务无人机与地面基站稳定的通信链路.本文以长期信道容量作为优化指标,基于动态规划理论提出了两种中继无人机的规划方法:CMMP-AT和CMMP-OBO. CMMP-AT方法强调在任务执行初期就部署全部中继无人机,该方法部署较为简便,但计算复杂度较高. CMMP-OBO方法提出按照任务需求逐架部署中继无人机,该方法较为灵活,且计算复杂度低,扩展性好,可节约中继无人机的运动能耗.实验结果表明, CMMP-AT方法针对一个两中继无人机场景,需要40.03 h规划结果,而CMMP-OBO方法只需57.66 s即可规划出结果,并且可节约3.87%的运动能耗.此外,为了精确控制中继无人机遵循规划出的轨迹行进,本文基于模型预测控制方法实现对规划轨迹的追踪,并在V-REP环境中实现了多中继无人机场景的仿真.仿真结果表明,相比PID控制方法,模型预测控制方法能够更精确地追踪规划轨迹.在两种仿真场景下,模型预测控制方法的追踪误差仅为PID控制方法的43.97%和41.42%.     

凸多面体之间的伪最小平移距离——Ⅰ.定义及其性质

定义了凸多面体之间的伪最小平移距离,分析了它与Euclid度量意义下最小平移距离的上、下界关系及其关于多面体刚体运动的Lipschitz连续性、可微性等性质. 给出了伪最小平移距离及其导数的计算方法. 研究结果可应用于机器人无碰撞运动规划等领域.     

一种两自由度球面并联机构的建模与分析

基于空间位姿变换和三面角余弦定理,对一种具有两转动自由度的球面并联机构进行运动学建模与分析,从而确定驱动器和末端执行器之间的角度、角速度和角加速度关系。采用虚功原理和一阶影响系数矩阵建立该机构的动力学模型,并通过数值仿真,求解了机构的逆动力学,进而得到了驱动力矩的变化规律。结果表明,运动轨迹规划不当会导致驱动转矩2过大,甚至超出了伺服电机的最大转矩,因此需要对机构的运动规划进行进一步优化,提高其稳定性和可靠性。该研究对提高该机构的运动稳定性和运动控制提供了理论基础。     

刚柔分级并联驱动宏微复合运动平台设计

高速精密定位是电子制造的要求,轴系摩擦是影响精密定位的重要因素.目前,微米级以上精度必须通过消除摩擦影响的方式来实现,成本很高.本文将大行程的直线电机平台与无摩擦的柔性铰链导向机构结合,提出了一种并联驱动的宏微复合设计新方案,克服了现有宏微复合平台存在的输出饱和问题.具体做法是在无铁芯永磁直线电机模组中,安装两套驱动和测量反馈系统,分别用于驱动宏运动平台和与之通过柔性铰链相连的微运动平台.宏运动平台通过直线导轨滑块"刚性"机械连接系统实现大行程高速运动,微运动平台通过基于柔性铰链的"柔性"连接来快速补偿"刚性"宏运动平台的误差,最终实现大行程高速高精度运动.本文利用上述刚柔分级运动方案,通过基于动力学响应的运动规划方法进一步抑制了高加速运动平台的定位残余振动.基于柔性铰链的微运动系统较之宏运动系统具有更快的响应速度和更小的跟踪轨迹误差,从而实现在高加速运动过程中宏/微驱动力叠加来实现快速运动,同时在匀速与低速定位过程中微驱动器产生反方向作用力来快速补偿宏运动平台的运动误差来实现高定位精度.实验表明,本文提出的宏微复合驱动方案,通过机构的创新,可有效降低控制的复杂度,并实现了高精密快速定位,可以为微光电子制造装备亚微米级高速定位平台设计提供崭新的途径.