关键词： 柔性内窥镜机器人   主从遥操作   神经动力学优化   最优控制  

摘要： 柔性内窥镜机器人具有连续体结构,在微创手术领域展现出独特优势,但连续体结构的非线性变形特征导致柔性内窥镜机器人的运动控制精度不足。针对上述问题,本文提出一种基于神经动力学的柔性内窥镜机器人最优遥操作控制方法。首先,通过构建图像空间下内窥镜机器人主从运动映射机制,建立柔性内窥镜运动学模型,获得图像特征速度与驱动速度的映射关系;其次,基因关节运动约束将机器人运动控制转化为二次规划最优控制问题,并使用基于神经动力学的实时求解器进行高效求解;最后,在输尿管镜机器人平台开展实验验证。实验结果表明:本文方法可有效减小人工操作误差和速度振荡,目标点跟踪误差被控制在2.5%以内,同时有效提升了碎石术中器械操控的准确性和稳定性。

关键词： 机器人   动力学模型   参数辨识   激励轨迹   改进差分进化算法  

摘要： 针对六轴机器人动力学参数辨识中激励轨迹设计问题,提出了一种将改进差分进化(IDE)算法用于优化激励轨迹参数的方法.首先,用牛顿-欧拉(Newton-Euler)迭代法建立了六轴机器人动力学模型,将机器人最小惯性参数观测矩阵的条件数作为优化目标函数;其次,通过对差分进化算法的改进,引入反向最优最差策略改善种群初始值,采用自适应算法改进变异因子和交叉因子;最后,利用改进差分进化算法优化设计了满足机器人各个约束条件的傅里叶级数作为激励轨迹,进行机器人的参数辨识.试验结果表明,采用所提出的优化方法设计的激励轨迹可以充分激发机器人动力学特性,提高了机器人动力学参数辨识试验的抗噪声能力,为建立精确的机器人动力学模型提供参考.

关键词： 吸气叶片拨动机构   平面四杆机构   粒子群优化   轨迹综合   Adams仿真  

摘要： 针对目前飞机进气道内的发动机吸气叶片人工检测存在的问题,提出了飞机进气道机器人巡检方案,基于动力学仿真软件对吸气叶片拨动机构进行了参数设计与性能分析。采用平面四连杆机构作为叶片拨动执行机构,建立了机构的数学模型,通过粒子群优化算法对拨杆末端轨迹综合问题进行了优化设计,得到了拨杆机构的几何尺寸和安装偏角。分析了拨杆末端与叶片接触的力学特性,在Adams环境中开展了叶片拨动过程的动力学仿真,得到了拨动叶片关键接触力和机构驱动力矩,为飞机进气道巡检机器人整机行走及支撑单元驱动设计提供了依据。

关键词： 细胞机器人   在轨操作   动力学分析   构型评价  

摘要： 日益复杂的在轨任务需求对航天器任务能力提出了更高的要求,细胞机器人具有“同样载荷,多种功能”的特点,能够通过变换自身构型完成在轨组装、抓捕等工作,已逐渐成为未来在轨航天器的研究新热点。面向在轨细胞机器人操作构型性能评价的需求,以细胞机器人在轨组装为背景,基于不同重构工况下的细胞机器人系统动力学参数,建立了组合体构型评价参数的映射关系,构建了关于细胞机器人驱动参数、组合体系统振动参数、组合体轨道参数、拓扑构型重构过程稳定性等设计变量的约束函数,提出了细胞机器人在轨重构构型评价方法。最后,进行了不同构型变化下的动力学仿真,并应用构型评价方法对其进行分析。结果表明,单自由细胞工况二为执行在轨组装任务的最优构型。文章所提评价方法综合考虑了细胞机器人在轨系统动力学参数,可为后续在轨细胞机器人的典型工况构型评价方法提供参考。

关键词： 移乘操作   护理机器人   力学建模   个性化   骨肌多体动力学  

摘要： 双臂护理机器人在执行移乘被护理人任务时,需要根据人—机力学模型确定双臂支撑的平衡区域,以保证移乘操作的稳定与安全。现有基于人—机二维平面静平衡建立力学模型的研究,忽略人体体积要素和肌肉力矩,导致模型精度不足,限制了机器人调整被护理人三维空间体态的能力。为此,本文提出一种基于个性化人体骨肌多体动力学的三维空间力学建模方法。首先,基于双臂抱持动作特征,构建了人体姿态、接触位置和人体受力的人—机三维力学基础模型;通过受试者的骨骼断层扫描数据重建了股骨—盆骨—骶骨三维模型,并基于人机工效学软件进行了个性化骨肌多体动力学分析,求解了人体关节受力,完善了人—机力学建模。然后,本文搭建了双臂移乘试验平台,开展受试者移乘试验,结果表明,与现有研究相比,本文所构建的人—机力学模型具有较高的准确性。综上,本文为双臂移乘提供了适应个性化需求的人—机三维力学模型,在护理和康复等领域具有潜在的应用价值。

关键词： 上肢康复机器人   动力元件选型   动力学   拉格朗日法   Adams仿真  

摘要： 针对一种新型外骨骼上肢8自由度康复机器人,介绍其方案设计与动力系统型号选择的理论依据,采用基于机器人系统能量的拉格朗日函数对简化对象建立动力学数学模型。运用Adams进行动力学分析,采用step函数对关节惯性力、加速度进行仿真验证。仿真结果表明:机器人关节动力学理论技术与仿真数据相近,为8自由度数学模型建立提供仿真数据支持,并可在此基础上进行物理样机控制系统及算法的研究,为实验验证提供理论支撑及数据基础。

关键词： 移乘操作   护理机器人   力学建模   个体化   骨肌多体动力学  

摘要： 双臂护理机器人在执行移乘被护理人任务时，需要根据人—机力学模型确定双臂支撑的平衡区域，以保证移乘操作的稳定与安全。现有基于人—机二维平面静平衡建立力学模型的研究，忽略人体体积要素和肌肉力矩，导致模型精度不足，限制了机器人调整被护理人三维空间体态的能力。为此，本文提出一种基于个体化人体骨肌多体动力学的三维空间力学建模方法。首先，基于双臂抱持动作特征，构建了人体姿态、接触位置和人体受力的人—机三维力学基础模型；通过受试者的骨骼断层扫描数据重建了股骨—盆骨—骶骨三维模型，并基于人机工效学软件进行了个体化骨肌多体动力学分析，求解了人体关节受力，完善了人—机力学建模。然后，本文搭建了双臂移乘试验平台，开展受试者移乘试验，结果表明，与现有研究相比，本文所构建的人—机力学模型具有较高的准确性。综上，本文为双臂移乘提供了适应个体化需求的人—机三维力学模型，在护理和康复等领域具有潜在的应用价值。

关键词： 绳牵引机器人   康复训练   动力学   运动性能   稳定性分析  

摘要： 针对绳牵引上肢康复机器人在人体交互时的动态稳定性问题，设计了一种绳牵引上肢康复机器人，在综合考虑绳索的形变、摩擦和出绳点因素的基础上，建立了绳牵引上肢康复机器人的耦合动力学模型。利用机器人雅克比矩阵的条件数定义了康复机器人的运动性能指标；同时对不同康复状态下柔索配置进行分析，结合广义逆矩阵理论计算了绳索张力的最优解，利用绳索张力均衡性定义了系统的动态稳定性指标。最后，在机器人关节域中仿真了机器人的绳索长度，对系统特性进行了分析；以肩部、肘部前屈/后伸康复运动组合为例，对机器人系统进行运动性能和动态稳定性仿真，确定了系统稳定性指标较好区域所对应的关节运动范围，即肩部-前屈-30° ～ -40°、肩部-后伸30° ～ 40°和肘部-前屈30° ～ 60°，为康复机器人的安全性评估和康复轨迹规划提供了理论依据。

关键词： 并联机器人   凯恩方法   关节摩擦   激励轨迹优化   参数辨识  

摘要： 并联机器人运动奇异常常会导致电机驱动力矩过载甚至损坏.为降低驱动电机的故障率,以6-PSU型并联机器人为研究对象,提出了基于动力学建模及其参数辨识的解决方案,能够根据预设轨迹提前精确估计驱动力矩以便用于安全性校核.首先,结合凯恩方法和虚功原理,建立了包含滚珠丝杠模组摩擦、伺服电机摩擦和惯性的逆动力学精细化模型;其次,利用QR分解获得了最小可辨识参数集,并在此基础上考虑了连杆截面的对称性特点,发现了可忽略的连杆惯量,得到了简化的线性化模型;此外,利用统计的方法,验证了激励轨迹优化时考虑摩擦的必要性;然后,利用Simulink/Multibody搭建机器人物理仿真模型进行了参数辨识与驱动力矩估计仿真实验,针对最小可辨识参数集模型和简化模型分别定量分析了两者的参数辨识精度、驱动力估计精度以及抗噪能力;最后,在6-PSU型并联机器人平台上开展了实验验证.结果表明,提出的简化模型在保证相同驱动力矩估计精度的前提下,有效简化了模型复杂度,具有明确的工程价值.

关键词： 工业机器人   柔性关节   残余振动控制   输入整形   期望动力学  

摘要： 针对工业机器人关节运动启停阶段,减速器柔性作用下连杆侧振动过大的问题。提出了一种期望动力学与输入整形相结合的抑振控制方法,基于双惯量模型建立了机器人柔性关节系统动力学方程,以零振动为目标推导了输入整形器的计算公式,同时根据系统期望参数设计了控制器力矩环和位置环的控制律,将期望动力学控制器与输入整形器相结合,探究了两者参数之间的对应关系,并与传统方法对比,验证了控制方法的可行性和有效性。结果表明,期望动力学与输入整形相结合的抑振控制方法,有效简化了输入整形器的设计过程,得到了更好的残余振动抑制效果;同时,该控制方法可以稳定柔性关节系统模态参数,使输入整形器在不同负载条件下均能保持较高的抑振性能,极大地提高了抑振控制方法的鲁棒性;所提抑振控制方法能提高机器人运行精度,增加关节使用寿命。