关键词： 非正交   协作机器人   运动学分析   动力学仿真  

摘要： 机器人作为一种现代化工具,它能在工业生产中代替人力,而且正在发挥着越来越大的作用。传统机器人移动的速度快,处理的负载重,在大批量生产中加快了生产线的吞吐量。但在制造业的许多场合,要求灵活性而不是高速度,需要机器人实现人机协同操作,以适应小规模、不断变化的生产需求。因此,研究一种适应性强、负载/自重比高、灵活敏捷、且成本低的轻量型模块化协作机器人,用以满足未来智能制造行业的需求,将对社会产生深远影响和意义。本课题主要针对该种非正交机器人的结构、运动学及动力学等进行分析。机器人运动学分析是实现机器人控制的基础。根据该种协作机器人的特殊结构,利用D-H方法对机器人进行数学建模,并完成运动的正解和逆解。提出一种多组逆解最优解的选择方法。通过SolidWorks建模对机器人不同位置的多组逆解值进行验证。机器人的奇异性和工作空间是机器人使用时的重要参数指标。通过机器人自身结构和雅可比矩阵对机器人的奇异性进行分析。采用蒙特卡洛数值方法,结合MATLAB编程绘图的能力对机器人的工作空间进行求解。机器人动力学仿真可以帮助分析机器人的动态性能。通过数学分析以及ADAMS仿真分析的方法对不同负载、不同运动方式下机器人的性能进行研究。仿真分析在研究机器人动态性能的同时,验证电机、减速器的选型情况。

关键词： 关节型机器人   联合仿真   滑模   PCHD   协调控制  

摘要： 作为工业自动化系统不可或缺的一部分,关节型机器人伴随着人工智能技术、虚拟样机技术和联合仿真技术的发展迅速崛起,尤其是协调控制技术的发展使得机器人轨迹跟踪控制向着更高精度、更高效率的方向推进,并且使整个机器人系统具有高拟人性、高通用性、高扩展性等特点。本文针对PUMA560关节型机器人,进行了运动学与动力学联合仿真分析,并以二自由度关节型机器人为研究对象设计了基于现代控制和智能控制的轨迹跟踪系统,依据单一控制仿真结果,设计协调控制策略,实现机器人的协调混合控制。首先建立PUMA560关节型机器人的D-H模型,运用解析法进行运动学正、逆问题的分析与求解,在MATLAB中使用Robotics Toolbox进行运动学仿真并进行轨迹规划,导出并保存机器人的角位移曲线。其次在ADAMS/View中搭建机器人的三维模型,导入保存的角位移曲线,添加运动约束与驱动,进行运动学与动力学的联合仿真;运用拉格朗日法推导机器人动力学方程,并依据动力学仿真结果将机器人简化为二自由度,添加输入/输出状态变量,借助ADAMS/Control模块实现ADAMS与MATLAB的双向通讯。基于以上仿真分析研究,本文设计并实现了基于指数趋近律的线性滑模、模糊滑模算法的现代控制系统以及基于端口受控耗散哈密顿(PCHD)算法的智能控制系统,对控制系统进行了详尽的稳定性分析,并在MATLAB/Simulink中搭建以上控制系统进行联合仿真控制实验。最后通过分析仿真结果以及算法间的互补性,设计了基于指数函数的协调控制策略,将线性滑模控制与PCHD控制进行协调,搭建机器人轨迹跟踪协调控制系统并进行联合仿真验证。仿真结果表明协调控制策略有效的结合了两种算法的优点,控制系统的动态性能与稳态性能优良,满足设计的需求。

关键词： Robots   Artificial intelligence   Cloud computing   Cloud robotics  

摘要： Purpose - This paper aims to provide an insight into the current state of cloud robotics developments, technology and applications. Design/methodology/approach - Following a short introduction, this paper first considers the potential benefits of cloud robotics. It discusses cloud service providers and then considers a range of recent applications and developments involving humanoid, mobile and industrial robots. This is followed by details of some recent market entrants and their developments. Finally, brief concluding comments are drawn. Findings - Cloud robotics is a rapidly developing technology made possible by the current ubiquitous internet connectivity and the growing number of powerful cloud computing services available. Benefits include access to big data sets, open-source algorithms, code and programmes, massively powerful parallel or grid computing and the sharing of information between robots. The technology has been applied successfully to humanoid, industrial, mobile and other classes of robots, often through direct collaborations between robot manufacturers and major IT companies. Several new companies have been established in very recent years to exploit the capabilities of cloud robotic technologies. Originality/value - Cloud robotics is a highly topical and rapidly developing field, and this paper provides a detailed insight into recent developments and applications.

关键词： Robotics   nanorobotics   Asimov's laws of robotics   DNA origami  

摘要： Asimov's three laws of robotics, which were shaped in the literary work of Isaac Asimov (1920-1992) and others, define a crucial code of behavior that fictional autonomous robots must obey as a condition for their integration into human society. While, general implementation of these laws in robots is widely considered impractical, limited-scope versions have been demonstrated and have proven useful in spurring scientific debate on aspects of safety and autonomy in robots and intelligent systems. In this work, we use Asimov's laws to examine these notions in molecular robots fabricated from DNA origami. We successfully programmed these robots to obey, by means of interactions between individual robots in a large population, an appropriately scoped variant of Asimov's laws, and even emulate the key scenario from Asimov's story Runaround, in which a fictional robot gets into trouble despite adhering to the laws. Our findings show that abstract, complex notions can be encoded and implemented at the molecular scale, when we understand robots on this scale on the basis of their interactions.

关键词： Liver   Biliary   Laparoscopya  

摘要： INTRODUCTION: Robotic surgical system's ability to perform complex hepatobiliary surgeries is gaining momentum with outcomes similar to open surgery and advantages of minimal access surgery. The authors present their initial experience of a heterogenous spectrum of robotic hepatobiliary cases and the first reported case series from India. METHODS: Retrospective review of hepatobiliary cases done robotically from February 2015 to January 2016 was done. RESULTS: The series has ten patients;with median age of 45 years (range 15-72). Etiologies were choledochal cyst type IVa, benign lower end common bile duct stricture (biliary reconstruction group);incidental gallbladder carcinoma, hepatocellular carcinoma, recurrent pyogenic cholangitis, polycystic liver disease, hemangioma, liver metastases, hydatid cyst (resection group). Median operative duration was 510 min;one patient needed intra-operative blood transfusion and there were no conversions to open surgery. One patient developed bile leak which was managed by biliary stenting and another thrombotic thrombocytopenic purpura during post-operative period. Median length of hospital stay was 6 days with average cost of robotic surgery being $1700 USD more for major hepatectomy and $900 USD more for biliary reconstruction compared to open procedure. CONCLUSION: This initial series adds to existing data on the feasibility of robotic hepatobiliary cases with inherent advantages of minimal invasive surgery, however with limitation of availability and use of devices like cavitron ultrasonic surgical aspirator (CUSA) and higher operative cost. (C) 2017 The Author(s). Published by Elsevier Ltd on behalf of IJS Publishing Group Ltd.

关键词： 水下外骨骼机器人   动力学建模   牛顿-欧拉方程   Adams仿真  

摘要： 利用外骨骼机器人提升单兵能力的方法自上世纪60年代起便有学者开始研究,50余年来已有颇丰的研究成果。水下外骨骼机器人定义为一种用于执行水下作业的可穿戴机械装置,将外骨骼机器人应用于水下以提升蛙人运动能力的方法在国内外还鲜有研究。本文主要围绕水下外骨骼机器人的动力学问题开展一系列的研究。采用D-H参数法和坐标系变换的基本原理建立了水下外骨骼机器人及其简化结构的坐标系描述,并推导了机器人所有连杆的D-H参数及两任意相邻坐标系的变换矩阵。为保证潜水员佩戴外骨骼机器人后具有良好的人机协调性,研究了人体标准自由泳运动姿态并获取了髋关节和膝关节的理想运动曲线,并以此作为水下外骨骼机器人的运动目标曲线。基于算法计算效率的角度阐述了使用牛顿-欧拉动力学迭代算法应用于水下外骨骼机器人的优势。依据机器人几何模型对腿部惯性张量进行了计算,依据牛顿-欧拉算法的外推迭代过程完成了对从机器人运动姿态到大腿、小腿连杆质心惯性力和惯性力矩转换的推导。着重考虑了机器人在水下的受力问题,对沿腿方向的压力分布形式进行了假设,并使用力等效法将打水的分布压力等效为加载到连杆末端的集中力和等效力矩。根据机器人运动姿态对脚蹼打水产生的动力进行了求解,并依据牛顿-欧拉算法的内推迭代过程计算出髋关节和膝关节所需的关节扭矩、功率及液压驱动力。基于所建立的动力学模型对机器人大腿小腿杆长对其动力学性能的影响进行了讨论,同时也探讨了为达到不同的水下前行速度机器人所需要的动力学参数的问题。利用Fluent动网格技术,对机器人腿部进行运动过程中液体压力分布的求解,结果表明沿腿方向的动压力分布符合动力学建模过程中对水流阻力分布的假设。利用多体动力学软件Adams对水下机器人动力学逆问题进行仿真,将动力学建模中关节角度函数作为输入,考虑等效的流体阻力对机器人的影响,获得关节扭矩仿真解。对比仿真结果与动力学模型计算结果,两者具有较高的拟合度。

关键词： The EPSRC Principles of Robotics   robotics ethic   behaviour traceability   learning capabilities   ability limits   humanoid robots  

摘要： In this paper, we review the five rules published in EPSRC Principles of Robotics with a specific focus on future robotics research topics. It is demonstrated through a pictorial representation of the five rules that these rules are questionably not sufficient, overlapping and not explicitly reflecting the true challenges of robotics ethics in relation to the future of robotics research.

关键词： Underactuated systems   legged robots   stability & control   hybrid systems   mechanisms & models  

摘要： Humans as bipeds enjoy certain advantages over other terrestrial systems, which motivate us to study and develop biped robots. Underactuated biped robots adopt the energy efficient gait of the biological counterparts and passive walkers. However, the control design for such robots is challenging due to lesser controllable joints, non-linear hybrid system dynamics and the goal of utilizing the natural dynamics. This paper summarizes various designs, models and control strategies used to enable stable walking and running for the underactuated biped robots. It gives a brief about how the mechanism of such bipeds evolved to incorporate the design variations which significantly improved the system performance. The few basic mathematical models which are used to simulate, analyze and predict the system dynamics and test control designs, are described, highlighting the difference in walking and running models. An introduction to the various stability criteria and control methods, successful in enabling stable walking for the robots on flat or uneven terrains, is provided. This paper gives a brief of the significant achievements in this field and ends with the highlights of the abilities inherent to humans but lacking in underactuated bipeds, and adopting or improving which should be the focus of the future research.

关键词： Pt自驱动微纳米机器人   微纳米操作   化学、电化学自驱动   运动模型   动力学实验  

摘要： 微纳米机器人在医疗、生物工程、环境保护等领域有广泛的潜在应用,受到社会各界的广泛关注。其中最具研究价值的是基于微纳米机器人作为给药载体的癌细胞靶向治疗。目前靶向治疗和放、化疗杀死癌细胞对正常细胞也有损害。基于具有生物相容性的微纳米机器人的靶向治疗能够在人体内自发、定向、可控、准确地运动到癌细胞处靶向给药。因为微纳米机器人尺寸微小（小于100μm）而形成尺度效应,有些传统理论将无法应用在微纳米机器人上。微纳米机器人按照驱动方式与控制方法可划分为两类:外场驱动和化学自驱动。其中外场驱动控制一般基于磁场、近红外场等,不仅对于外部设备、仪器要求较高,通常还需要CT等观测设备,对正常细胞具有一定的破坏性。化学自驱动微纳米机器人因无需外场、加工简单、成本低等优势,越来越受到世界各国研究者的关注。本论文面向癌症靶向治疗,基于化学自驱动原理,研究铂金（Pt）自驱动微纳米机器人在过氧化氢（H2O2）溶液中的运动机理。基于微观力学、尺度效应理论对微纳米机器人进行受力分析。微纳米机器人重力数量级远小于粘滞力数量级而忽略不计,并且布朗力方向是随机的,在微纳米机器人运动中主要改变运动方向,运动阻力主要是粘滞力。基于微纳米机器人驱动原理、运动学定律和以上理论分析,建立Pt双金属和单金属自驱动微纳米机器人运动模型,有双金属（Pt/Au）自电泳驱动棒状微纳米机器人直线运动、Z型微纳米机器人自旋转运动;单铂金化学自驱动△型微纳米机器人受力平衡和V型微纳米机器人圆周运动。为制备上述四种不同形状与材质的微纳米机器人,本论文开发了结合聚焦离子束（FIB）技术和等离子溅射技术的Pt自驱动微纳米机器人制备方法。利用扫描电子显微镜（SEM）能量弥散X射线散射方法（EDX）对双金属微纳米机器人金属层纯度进行检测:Pt层纯度94.28wt%,Au层纯度82.75wt%。针对微纳米机器人操作难、释放难、跟踪难等问题,建立了基于微纳操作器、钨探针的实验操作模块和光学倒置显微镜、高速CCD的视觉跟踪反馈系统的实验操作平台,应用双操作器合作剥离与振动释放微纳米机器人的方法,实现了微纳米机器人的可靠操作、释放与跟踪。在所搭建实验平台基础上,实施了四种Pt自驱动微纳米机器人运动学实验,得到了 Pt/Au复合金属棒状微纳米机器人最大直线运动速度为4 Dm/s;Pt/Au复合金属Z型微纳米机器人最大自转转速为19rpm;45°、90°和135°三种单铂金△型微纳米机器人平衡了驱动力和布朗力,可有效保持初始位置;90°单铂金V型微纳米机器人最大圆周运动线速度和最大当量直径为3.42 pMm/s和37.1 μm;135°单铂金V型微纳米机器人因驱动力小于粘滞力而不产生圆周运动。针对微纳米机器人难以固定测量驱动力,本论文基于斯托克粘滞力定律、牛顿第二运动定律、四种Pt自驱动微纳米机器人运动模型以及实验结果反推出四种微纳米机器人驱动力,驱动力数量级在10-14N到10T13N之间。以上实验结果达到了验证本文理论运动模型效果,为未来微纳米机器人靶向治疗理论与应用研究奠定了基础。

关键词： 独轮车机器人   阿沛尔方程   滑模控制   鲁棒控制  

摘要： 独轮车机器人作为一种结构简单的自平衡轮式移动机器人,外形灵巧纤细,运动灵活自如,具有广泛的应用前景。与其他自平衡机器人不同,独轮车机器人支点单一,是一种特殊的动态稳定机器人。另外,由于它的非线性、强耦合、欠驱动等特点,涉及学科众多,在平衡控制方面更加复杂,不仅需要控制其横滚方向和俯仰方向的平衡,还要进行航向的运动控制,因此,为独轮车机器人和控制理论与应用等多学科的研究与实践提供了一个良好的测试平台,在自动化领域具有很强的科研意义和应用价值。本论文所研究的独轮车机器人是在实验室前人的基础上进行的,此机械结构大体可分为行走轮机构,横滚平衡机构和航向控制机构。独轮车机器人可通过控制行走轮的速度控制俯仰方向的平衡,通过平衡杆控制车体横滚方向的平衡,通过车体上的航向驱动电机控制行走轨迹。本文基于Appell方程建立独轮车机器人的动力学模型,针对线性控制设计了滑模控制器和鲁棒控制器,使用Matlab对所设计的控制器进行平衡控制仿真。通过仿真实验可得出,独轮车可实现在俯仰方向、横滚方向和航向上的控制,并且具有一定的抗干扰性。在此基础上,又设计了一款新型独轮车机器人,其行走机构为两个固定在一短轴上的行走轮,以此解决车体的横滚方向上的平衡问题,又不失其体积小,行走灵活的优点,对其基于Appell方程进行了动力学建模,在模型的俯仰子系统上进行了线性滑模控制和非线性神经网络控制的仿真实验,其中对线性滑模控制器进行了 Adams-Matlab仿真实验,仿真结果验证了所设计控制器的有效性。