关键词： 空间机器人   捕获航天器   动力学演化   变拓扑构型   镇定控制  

摘要： 空间机器人在轨服务过程中,对航天器的捕获、抓取操作能力是其必不可少的一项关键技术。为了保证空间机器人系统在外太空运行的可靠性,对其捕获航天器过程的碰撞分析、动力学演化,及其后混合体系统的控制设计都是非常必要的。文中分别研究了单臂空间机器人、全柔性臂空间机器人、双臂空间机器人捕获航天器过程动力学演化,及其后对应的关节运动镇定、柔性振动抑制以及闭链混合体系统的姿态管理及辅助对接操作过程。结合拉格朗日方程、描述柔性变形的假设模态法及多刚体动力学理论,分别建立了空间机器人及目标航天器的动力学方程。基于动量守恒定律、力的传递规律、以及相应的运动、几何约束条件,经过积分与简化处理,分析求解了空间机器人捕获航天器后受到的碰撞效应,并获得了空间机器人与目标航天器组成的混合体系统动力学方程。针对单臂空间机器人捕获航天器后形成的混合体系统,考虑了复杂工况下的控制系统设计。空间机器人输出力矩受限时,设计了基于非线性滤波器的饱和控制方案,限制力矩输出。考虑到星载计算机的计算能力有限,基于神经网络控制理论设计了分块滑模自适应控制方案,以完成控制系统的模块化设计,减小了算法的运算量。当系统同时存在外部扰动以及参数摄动时,设计了双幂次滑模神经网络控制方案,利用快速双幂次滑模趋近律保证了系统的收敛速度,并运用神经网络逼近系统的参数不确定项及外部扰动。为实现全柔性臂空间机器人捕获航天器后形成的混合体系统关节运动镇定、柔性振动抑制一体化控制,利用奇异摄动方法将系统进行双时标分解,并设计了模型误差补偿滑模神经网络控制方案和极限学习机控制方案;借助虚拟力思想,获得了描述柔性振动及刚性运动的混合轨迹,以此为基础,提出了基于梯度下降法的自校正控制方案以及基于扩张状态观测器的鲁棒控制方案。上述控制方案都获得了关节、姿态运动镇定及柔性振动抑制效果。空间机器人双臂捕获航天器过程的动力学及控制问题包括:捕获前后构型的开、闭环变拓扑,动量、动量矩与能量传递变化,非完整动力学约束,以及存在闭环几何、运动学约束。根据不同的工况的控制要求,对捕获操作后形成的闭链混合体系统设计了自适应模糊H∞鲁棒控制,自适应PID饱和控制,递归模糊神经网络控制以及基于Hamilton-Jacobi-Bellma方程的神经网络最优控制。同时,为了保证各机械臂协同操作,利用加权最小范数方法进行各关节的力矩分配。最后通过数值方法分析碰撞冲击效应,利用仿真实验模拟了闭链系统的运动过程,同时验证了上述控制方案的有效性。

关键词： 救援机器人   结构优化设计   运动学   动力学  

摘要： 全球性地震灾害发生频繁,救援任务具有时限紧、对功能性和智能化要求高等特点;目前靠人工救援为主,救援效率低,需要研究轻量化、高灵活性、智能化的机器人。针对以上要求,本文对地震救援机器人的结构设计和尺寸优化、冗余自由度机械手的运动学以及动力学进行了一系列研究。首先分析优化了地震救援机器人的机械臂结构。根据现场作业要求,设计了相应的行走平台和七自由度冗余机械臂。对主要零部件进行了静力学分析,分析结果表明机械臂还有一定的优化空间,为了提高机械臂的负载自重比,基于响应面法进行了相关尺寸优化,优化了机械臂结构。其次进行了七自由度冗余机械臂的运动学研究。基于DH法为机械臂连杆建立局部坐标系,建立了机械臂的运动学方程,并采用蒙特卡罗法求解了机械臂的作业空间;在梯度投影法的基础上综合考虑机械臂奇异构型和关节极限,分析了冗余机械臂的逆运动学问题,并引入位置误差反馈的闭环逆运动学解法,提高了逆运动学的求解精度。然后搭建虚拟样机模型进行动力学仿真实验。基于拉格朗日法建立了机器人动力学方程,基于ADAMS虚拟样机对单个关节进行了定点控制和轨迹跟踪仿真试验。仿真结果表明,单个关节定点控制反应灵敏,轨迹跟踪效果良好。将ADAMS虚拟样机模型导入MATLAB,基于MATLAB/simulink建立机械臂的控制系统,可为将来控制算法验证提供交互式联合仿真平台。最后试制了地震救援机器人物理样机,建立基于快速控制原型技术的实时控制系统,采用传统的PID控制,对物理样机进行了轨迹跟踪试验验证。试验结果证实了冗余七自由度机械臂逆解的实时性和有效性以及动力学仿真结果的正确性。

关键词： Hemiparesis   motor learning   multiple sclerosis   neglect   neurorehabilitation   Parkinson disease   robotics   spinal cord injury   stroke  

摘要： BACKGROUND: During the last two decades, extensive interaction between clinicians and engineers has led to the development of systems that stimulate neural plasticity to optimize motor recovery after neurological lesions. This has resulted in the expansion of the field of robotics for rehabilitation. Studies in patients with stroke-related upper-limb paresis have shown that robotic rehabilitation can improve motor capacity. However, few other applications have been evaluated (e.g. tremor, peripheral nerve injuries or other neurological diseases). PURPOSE: This paper presents an overview of the current use of upper limb robotic systems for neurorehabilitation, and highlights the rationale behind their use for the assessment and treatment of common neurological disorders. CONCLUSIONS: Rehabilitation robots are little integrated in clinical practice, except after stroke. Although few studies have been carried out to evaluate their effectiveness, evidence from the neurosciences and indications from pilot studies suggests that upper limb robotic rehabilitation can be applied safely in various other neurological conditions. Rehabilitation robots provide an intensity, quality and dose of treatment that exceeds therapist-mediated rehabilitation. Moreover, the use of force fields, multi-sensory environments, feedback etc. renders such rehabilitation engaging and motivating. Future studies should evaluate the effectiveness of rehabilitation robots in neurological pathologies other than stroke.

关键词： 机器人   轨迹优化   动力学约束   凸优化   阻尼倒数  

摘要： 如何在保证系统约束的同时使得运动性能最优(尤其是时间最优)是目前机器人轨迹优化研究的一个重点。本文首先说明机器人规划问题分为路径规划和轨迹规划，路径规划负责确定机器人的几何位形路径信息，轨迹规划负责生成时间参数化的路径信息，如考虑速度与加速度。本文探讨的问题是在固定路径下求解基于动力学和运动学约束的轨迹规划时间最优解，对此研究了两种方法，分别是属于解析法(间接法)的微分方程法和属于数值法(直接法)的凸优化法。本文的主要研究工作如下：　　(1)应用于轨迹优化的运动学及动力学分析。机器人运动学分析涉及求解完全路径约束(几何位形路径)的逆运动学封闭解以及求解笛卡尔坐标系下约束的雅克比矩阵，另外为了实现高精度的奇异规避路径规划，提出了阻尼倒数+非奇异方向补偿算法。在动力学分析中为了提高轨迹优化精度，将库伦+线性粘滞摩擦阻力模型加入理想动力学方程中。通过引入标量路径坐标s使关于关节变量的n维优化问题降为关于s,(s),(s)的3维问题，并提出局部多项式拟合算法计算路径坐标s处的动力学和运动学参数。　　(2)最优轨迹规划的微分方程法。在二阶约束下时间最优轨迹使用s-(s)内的常微分方程进行描述，论述了最优轨迹曲线在切换点处的连接策略，着重说明零惯量点并非都是非可微切换点，并分为两类进行情况辨识以及提出在此切换点邻域内的轨迹规划方法，其中涉及伪加速度(s)的初始化，通过仿真实验验证了此方法的棒棒特性。在三阶约束下时间最优轨迹使用s-(s)-(s)内的偏微分方程组进行描述，说明了如何使用多重射靶算法搜索最大加加速曲线之间的最小加加速桥接曲线，另外论述了在非可微切换点处的延伸方法。　　(3)最优轨迹规划的凸优化法。讨论了如何将时间目标函数和一些约束转化成凸问题，另外将其他不具备保凸性的约束通过一种非凸函数的统一表达式转化成两个凸函数之差，包括考虑粘滞阻力模型的扭矩约束和加加速约束等，然后提出由序列凸规划算法求出凸函数之差约束的时间最优解，最后在优化计算中，将原本的无限维问题通过直接转换的方法离散成有限维问题。在二阶约束下通过时间最优仿真实验可得出微分方程法比凸优化法的计算效率高，但是由另一个仿真验证可知，通过统一的处理方式凸优化法易于考虑更加复杂的三阶约束，也包括具有粘滞阻力的力矩约束。

关键词： 下肢康复机器人   动力学   牛顿-欧拉法  

摘要： 针对下肢运动功能障碍的患者,提出一种三自由度的康复机器人设计方案,以实现双下肢髋、膝关节的屈伸训练.采用连杆机构模拟人体下肢,把患肢和机器人作为一个整体,通过驱动机构带动患肢的髋、膝关节进行屈伸运动,实现对患肢的康复训练.利用牛顿-欧拉法建立康复机器人人机系统的动力学模型,并对其康复训练进行了仿真分析.仿真结果说明,利用该动力学模型可以获得训练过程中各关节的受力情况,为制定正确、有效的康复训练策略提供理论依据.

关键词： 六足机器人   运动学   动力学   鲁棒自适应PD控制  

摘要： 分析了六足机器人的运动学特性,建立了摆动腿的动力学模型并采用鲁棒自适应PD控制算法对各关节位置和速度进行了轨迹跟踪仿真研究。首先,根据六足机器人的结构特点定义了机体坐标系及各腿跟关节坐标系,建立了单腿运动学D-H模型,运用数值仿真软件对足端运动空间进行了仿真研究。其次,运用拉格朗日方法建立了六足机器人摆动腿的动力学模型,并对其进行了规范化处理。最后,采用鲁棒自适应PD控制算法对六足机器人的关节位置、速度进行了轨迹跟踪控制的仿真研究。仿真结果验证了该算法对此类机器人关节位置、速度轨迹跟踪控制的有效性。

关键词： 柔性机器人   动力学分析   控制策略   建模  

摘要： 随着科学技术的不断发展,机器人技术开始逐渐转向高精度方向发展,全柔性机器人的用途越来越广.但是由于全柔性机器人的动力学性能将直接影响机器人的应用精度,因此对柔性机器人进行动力学分析极其重要.基于此,本文通过简述柔性机器人动力学分析以及相关控制策略,研究柔性畸形人动力学分析方法,并在建模的基础上进行控制策略分析,进而对柔性机器人的发展有一定的促进作用.

关键词： 工业机器人   动力学模型   参数辨识   加权最小二乘法  

摘要： 针对带负载工况下六自由度关节型工业机器人动力学模型的辨识问题,提出了一种带负载机器动力学模型的参数辨识方法。在获得机器人本体动力学模型的前提下,用Newton-Euler法建立负载动力学模型进行补偿,设计激励轨迹获取负载贡献的力矩,然后用加权最小二乘法辨识出负载模型中未知参数。最后对得到的带负载完整机器人动力学模型进行验证与分析,结果表明通过辨识得到的预测力矩与测量力矩有较好的跟随性,所提出的辨识方法具有一定的工程参考价值。

关键词： 自由漂浮空间机器人   动力学参数辨识   持续激励   约束非线性优化  

摘要： 针对自由漂浮空间机器人抓捕目标后的动力学参数辨识问题,提出一种参数辨识的持续激励轨迹设计方法。首先,基于动量守恒原理建立了自由漂浮空间机器人的动力学参数辨识模型;然后,采用有限傅里叶级数对空间机器人的机械臂关节运动轨迹进行参数化表示,并以参数辨识回归矩阵条件数最小化为指标,通过求解一个包含多约束的非线性优化问题得到傅里叶级数的待定系数;最后,采用基于QR分解的递推最小二乘估计方法实现对采样数据的序贯处理,并求解出待辨识参数。仿真结果表明,提出的激励轨迹设计方法可以显著提高空间机器人参数辨识的收敛速度和准确性。

关键词： 辅导员工作   技能竞赛   中国自动化学会   机器人竞赛   市人民政府   大学生   临场发挥   创新思维  

摘要： 我院大学生获2016年中国机器人大赛2项一等奖。在长沙举办的“2016中国机器人大赛”上，我院三组选手凭借扎实的基本功，出色的临场发挥力克对手获得一等奖2项、二等奖1项。本次大赛由中国自动化学会机器人竞赛工作委员会等单位承办，获得中国自动化学会、长沙市人民政府和《机器人技术与应用》杂志社等机构的支持。大赛的宗旨在于激发学生的热情和创新思维、提高学生的团队精神和组织实践能力。