关键词： 颅颌面穿刺   视觉导航   机器人学   空间配准   安全机制  

摘要： 颅颌面外科疾病严重影响患者的生活质量,因此研究有效的手术疗法是临床迫切需要解决的问题。人工针穿刺是目前该领域比较常见的诊疗手段,但该方法存在一些固有的缺点。首先,手术涉及的区域结构较复杂,要求操作医生具有较高的专业技能和丰富的临床经验;其次,手术过程中由于操作者的手臂抖动和视觉误差,导致穿刺路径偏离术前规划,造成伤害。手术机器人的使用为解决该问题提供了有效途径。采用机器人手术系统协助医生完成穿刺手术除了具有人工穿刺术的一般优点外,还具备定位准确、操作稳定、便捷易用等特点,成为目前颅颌面外科穿刺手术的研究热点。本文针对该热点,研究适用于颅颌面穿刺的专用机器人系统架构、导航、控制等关键问题。课题与北京大学附属口腔医院合作,结合临床医师的人工颅颌面穿刺手术实践,探讨机器人穿刺手术流程,并制定了机器人手术系统的整体方案,构建出一种应用视觉导航实现颅颌面自动穿刺的专用机器人手术系统。该系统包括六自由度机器人、光学定位装置、六维力传感器在内的硬件系统,和由运动控制、空间配准、安全机制等多个控制模块构成的上位机控制系统。为研究机器人运动特性,采用D-H法对手术机器人建模,利用解析法求解逆运动学,Matlab Robotics Toolbox函数验证求解结果的正确性。之后通过矢量积法求解雅克比矩阵,拉格朗日法一般化动力学方程,蒙特卡洛法建立运动空间。结合光学定位系统,研究了手术机器人与光学定位器之间的空间配准问题。提出了包括平面测量配准法、旋转配准法、直线旋转自动配准法在内的三种配准算法,并通过实验比较三者的配准精度,为最终的模拟实验提供配准矩阵。研究了机器人手术系统的安全机制,提出了按手术空间划分的多种安全控制策略。在位姿设定空间,引入阻抗控制策略实现术前柔顺调整;在直线进针空间,采取力超限即原路径返回策略;在弹射取检空间,采取绝对静止策略。最后,对所构建的手术机器人系统进行实验研究,验证其实用性。首先进行基于三种工作空间的安全控制试验和末端手术器械的跟随实验,验证了手术机器人系统安全控制机制的有效性;之后与北大口腔医院联合开展模拟手术实验,考核了手术机器人的穿刺精度、运动稳定性和易用性,结果表明系统具备开展动物实验的能力。

关键词： 寻宝机器人   传感器   前轮定位   控制系统   PID控制   数字识别  

摘要： 寻宝机器人控制系统的总体设计过程是按照由整体到局部的设计原则进行的。整体设计是指在详细分析学校已有关于寻宝机器人的研究及查阅大量国内外文献资料的基础上,构建出寻宝机器人控制系统的总体设计方案,总体设计方案主要分为四个部分,即硬件选择、硬件电路的设计、机械结构的设计及软件系统的设计。局部设计是指采用模块化的设计思想,分别对寻宝机器人的各个功能模块进行设计,各个功能模块的设计一般分为理论分析、电路设计、PCB板制作、程序设计及实验验证等步骤。机械结构的设计方面,本文完成了前轮定位参数及寻宝机器人重心位置的调整,并通过计算及实验分析确立了寻宝机器人的前瞻距离,同时对地板、舵机连接件等结构进行了设计。详细介绍了灰度传感器、接近开关、线性CCD摄像头等传感器的安装方式,并基于混合式数据融合的结构模型特点,利用贝叶斯推理的方法推导出了一种基于贝叶斯法则的多传感器数据融合算法。该算法对各个传感器采集到的数据信息进行联合判断,能提高寻宝机器人获取环境特征参数及自身状态特征参数的准确度和精度,进而实现了寻宝机器人快速稳定的行驶。软件系统的设计核心是寻宝机器人赛道引导线的提取算法、数字识别算法及车体控制算法的研究与实现。本文采用边缘检测算法中的Sobel算子来进行引导线提取,并对Sobel算子的提取过程进行了程序设计。同时根据寻宝机器人需完成查找宝物这一任务的需要,提出了一种基于数字符轮廓的数字识别算法并通过实验验证了该算法的鲁棒性。本文还对寻宝机器人的PID控制策略进行了研究,完成了寻宝机器人增量式PID控制器的设计,并利用Matlab/Simulink对寻宝机器人PID控制算法进行了模拟仿真,完成了kp、ki及kd等参数的整定,并通过测试验证了PID控制算法的可行性及优越性。总之,通过完成以上工作,本文设计并制作了一款环境感知能力强、爬坡能力好、得分能力强、转向精准及速度控制性能好的寻宝机器人,并在2015年寻宝机器人大赛中以总得分2600分的优异成绩获得了华中赛区一等奖。

关键词： 机器人学   人类   社交   家用机器人   管家  

摘要： 家用机器人将成为人们家中最好的新朋友。世界上大部分机器人看上去就像一个咖啡壶一样没什么吸引力。但辛西娅·布雷齐尔(Cynthia Breazeal)创造的机器人作品与众不同。"抱抱"是一个泰迪熊模样的机器人,"命运"是一个大眼睛、红嘴唇、尖耳朵、爱唠叨的机器人,奈克西是一个有着

关键词： 码垛机器人   动力学   尺寸优化   拓扑优化   弹簧平衡机构  

摘要： 随着制造业向高度自动化和智能化方向转型,用码垛机器人系统代替工人进行繁重的码垛作业任务已成为必然的发展趋势。而码垛任务高速、重载的特点让码垛机器人的动力学性能成为其设计阶段需要考虑的关键指标。因此对码垛机器人进行结构优化设计以提升其动力学性能,对于码垛机器人的设计研发具有很大的工程技术意义。本文在对HMD80型码垛机器人进行动力学分析的基础上,通过对该型机器人的结构优化和平衡机构设计,力图减小机器人垂直和水平移动关节的全域驱动力峰值。首先,在分析机器人串并混联特性的基础上,引入动态基坐标系的概念,并结合D-H参数法建立其运动学方程。经过解耦分析,建立了机器人各运动部件的坐标变换矩阵,并在此基础上,利用拉格朗日方法建立该型机器人的动力学数学模型。其次,以机器人的垂直和水平移动关节全域驱动力峰值为性能评价指标,以机器人的速度指标、工作空间指标和强度指标等作为约束条件,对机器人平面运动机构的长度尺寸进行优化。建立了尺寸优化数学模型,并运用遗传算法对优化模型进行分析求解。在上述尺寸优化的基础上,分析该型机器人的偏重力对垂直移动关节驱动力的影响,根据分析结果设计出平衡机构中弹簧的各项参数。并分析了加入弹簧平衡机构后垂直移动关节驱动力的削减幅度。在对机器人进行静态刚度分析的基础上,对小臂侧板进行拓扑优化设计,以提升其刚度性能。并对优化前后的小臂侧板进行刚度分析和模态及振型分析,验证拓扑优化的可行性。最后,利用原有样机,设计动力学实验,验证了本文中建立的动力学数学模型的正确性;利用ADAMS仿真实验对比,验证了平面运动机构尺寸优化设计的有效性;利用ADAMS仿真实验对比,验证了弹簧平衡机构对机器人垂直移动关节驱动力峰值的削减效果。

关键词： 武术擂台机器人   运动动力学   虚拟力   避障规划   攻防策略  

摘要： 在智能移动机器人的研究中,自主移动性是一个非常关键的问题,在移动过程中能否准确、快速地对周围环境做出反应,实时避开前进过程中的障碍物并且不间断的移动到目的地是非常重要的,路径规划和避障算法的研究则是其核心点之一。近年来,随着国家对机器人产业和大学生创新实践的鼓励,中国机器人大赛越来越受到各方关注。武术擂台赛作为中国机器人大赛中一个很有中国特色的重要项目,需要将机器人的自主移动性研究运用到实践中,尤其是移动中的路径规划和避障。现有的路径规划和避障算法大多没有考虑机器人的运动动力学限制和几何参数,在实际机器人应用中会出现物理可行性和泛用性等问题;现有的武术擂台机器人攻防控制策略,主要靠经验和尝试,精确性和灵活性等方面都存在不足。针对于此,本文提出了一种基于虚拟力的运动动力学模型,并将其应用于武术擂台机器人,制定出一套攻防一体的武术擂台机器人攻防控制策略。论文的主要工作如下:(1)设计了武术擂台机器人的结构与系统,分析了机器人整体结构、控制系统、传感器检测系统、电机驱动模块和蓝牙串口模块。(2)提出了一种基于虚拟力控制的运动动力学建模方法,该方法考虑了武术擂台机器人的几何参数和运动动力学限制,且每个参数都有明确的物理意义。进行了参数灵敏度分析,并构建了运动控制器。(3)制定了以运动建模为基础的武术擂台机器人攻防控制策略,构建了运动中攻防一体的攻防控制模型。(4)完成了仿真实验和实际机器人实验,对实验结果进行了分析,并提出了改进方案。实验结果表明,本文提出的运动模型能很好地帮助机器人完成避障规划任务,基于运动建模构建的攻防控制模型可有效地改善武术擂台机器人的避障效率和攻防强度,增强其对抗的竞争力。

关键词： 疾驰步态   四足机器人   弹性脊椎关节   疾驰机理   步态控制  

摘要： 疾驰步态作为四足哺乳动物及仿生四足机器人研究领域的重要组成部分,越来越受到国内外研究学者的关注。现如今仿生四足机器人的研究正逐渐向高灵活性、高移动速度的方向发展,而现有四足机器人的研究热点主要集中于中、低速运动步态,若进一步提高四足机器人的运动速度,拓展其应用范围,采用中、低速运动步态进行研究终究会遇到瓶颈。四足哺乳动物在中、低速区间有唯一确定的运动步态模式,而在高速运动区间存在疾驰步态的运动模式分化,因此,分别对适合于不同类型四足哺乳动物疾驰步态的运动特点及疾驰机理进行深入分析具有重要意义。本文以两种不同疾驰步态的代表性动物的生物形态特征、解剖学特征及运动特征为为参照,针对疾驰理论模型的缺失分别建立了描述两种类型疾驰步态的动力学模型;提出了疾驰动力学模型周期不动点搜索策略;分别研究了两类疾驰步态的内在疾驰机理,并同时对两类疾驰步态进行了无量纲模型构建和综合性能分析;基于真实四足动物在疾驰步态中所呈现出的躯干运动特点及其多关节协调机理,构建了具有仿生弹性脊椎关节的四足疾驰机器人,并通过物理实验对关键疾驰机理进行了实验验证。以自然界中四足哺乳动物采用Transverse Gallop步态及Rotary Gallop步态的典型动物(马和猎豹)为生物学参照,分别建立了描述两类疾驰步态的四足疾驰动力学模型。马的躯干等效为刚性躯干,腿部在疾驰运动中等效为线性弹性元件。针对猎豹的躯干在疾驰中具有大幅度蜷曲与伸展运动,并且具有高爆发力的特点,建立了具有主动驱动单元的关节腿和具有弹性脊椎关节的躯干的动力学模型。基于Transverse Gallop步态动力学模型对其疾驰性能及疾驰机理进行系统研究。根据马动力学模型的对称性特点,提出了高效的庞加莱不动点搜索策略,并通过设定不同初始运动状态量及不同运动参数,在已获得周期不动点的前提下对疾驰运动参数与疾驰性能之间的规律进行了系统分析,揭示了Transverse Gallop步态的俯仰角速度动力学特性。在已获得Rotary Gallop步态周期不动点的基础上对猎豹的疾驰机理进行了分析。基于猎豹的动力学模型的特点,提出了分步式降维步态搜索策略,降低了高维度庞加莱不动点搜索难度。在此基础上,对疾驰过程中影响疾驰性能的运动参数进行了系统性分析。分析结果除了能深入理解脊椎关节对疾驰性能的作用规律及运动参数在疾驰过程中的影响,还可对设计仿生猎豹机器人提供理论指导和设计依据。为将两种类型疾驰步态置于统一的分析框架进行综合性能分析,引入了动物学家在研究不同种类四足动物步态中广泛采用的无量纲化分析法。基于该方法得到了疾驰步态的无量纲动力学模型,并分别从矢状面躯体形态比例及无量纲水平运动速度方面对两类疾驰步态的疾驰性能的关键评估指标进行了综合对比分析,得到了两类疾驰步态适合的应用场合,为设计针对性应用场合的疾驰步态四足机器人提供了理论依据。最后,为验证关键疾驰机理的正确性,开发了具有弹性脊椎关节的疾驰仿生四足机器人SQBot。该机器人具有锁止-解锁机制的弹性脊椎关节和适合于高频率摆动的惯量集中式仿生腿。基于中枢模式发生器建立了实现机器人疾驰步态的控制器。在实验平台上实现了四足机器人的疾驰步态,并在平整地面上实现了机器人的自由跳跃步态。通过改变机器人躯干的属性、水平速度等关键参数对两种类型疾驰步态的关键疾驰机理进行了物理实验验证。结果表明,疾驰步态十分适合于高速运动,在高速运动中可大幅提高四足机器人的运动性能。

关键词： 并联机器人   运动学   动力学   有限元分析   结构优化  

摘要： 本文以一种部分结构参数可调节的灵活性较高的踝关节康复并联机器人为研究对象,重点分析了该并联机器人的运动学性能、动力学性能、装配体有限元应力应变分布及结构优化等问题。主要内容如下:首先,对踝关节康复并联机器人的结构进行了分析,建立踝关节康复并联机器人动平台转角、角速度与气动肌肉长度、长度变化速度关系的运动学模型。在MATLAB中编制机构运动学模型运算程序,得到机构运动学性能曲线图,据此设计出初始状态下气动肌肉所应具有的收缩长度,同时,利用该并联机器人的运动学模型推导出了其速度雅克比矩阵,为动力学分析做基础。其次,分析了系统能量的变化关系,推导出踝关节康复并联机器人各运动部分的动能、势能表达式;应用第二类拉格朗日动力学方程,结合其速度雅克比矩阵,建立了该型并联机器人的动力学模型;运用MATLAB软件编制其动力学模型程序,绘制出给定结构参数时的机器人动力学性能算例分析图。在此基础上,根据该并联机器人具有三处机构参数可调节的特点,针对不同的康复运动输入,结合其动力学模型,在MATLAB软件中建立了该踝关节康复并联机器人的动力学仿真平台及其人机界面,可以随时得到该并联机器人在不同的结构参数(3个)及康复运动模式(14种)下其运动学及动力学性能曲线图。最后,利用三维建模软件Solidworks和有限元分析软件ANSYS Workbench对该踝关节康复并联机器人进行了装配体有限元分析,得到了康复运动过程中气动肌肉施力最大时其应力应变分布云图,据此对并联机器人的可调结构参数进行了优化分析并进一步提出了U型横架的优化方案以及四种弧形纵架的优化方案,且逐一进行了验证,得到了最优方案,大大提高了该并联机器人的刚度和强度,满足了设计要求。

关键词： 并联机器人   运动学   动力学   数值仿真   构型优化  

摘要： 本文选用3-RRRT并联机器人为研究对象,主要研究内容有3-RRRT并联机器人运动学建模、动力学建模、运动学和动力学数值仿真及构型优化。3-RRRT并联机器人是由一个固定平台和一个动平台通过3条支链连接而成,其中每条支链由3根杆件分别通过3个转动副R和一个虎克铰T与固定平台和动平台进行连接。通过对3-RRRT并联机器人进行自由度数分析可知,其动平台仅能实现在空间中沿3个坐标轴方向的平动,故该并联机器人的自由度数为3。因并联机器人和以往的串联机器人进行对比,这种新型机器人表现出速率快、精度高、承载佳等大量优势特征,使它在工程行业中得到普遍的应用,如并联机床、食品分拣机器人等设施。本文选择的分析对象3-RRRT并联机器人便能够在食品分拣工序中进行应用。通过完成这一类型机器人的运动学与动力学分析工作,能够使其成为后期研究的原型,并在开发性能完善的空间并联机器人阶段,如并联机床、微操机器人等,奠定相应的概念基础。首先,根据该并联机构的特点,运用D-H坐标和齐次坐标变换,建立了系统运动学方程,通过解析法求出了3-RRRT并联机器人的位置反解,得出了动平台在某一位姿下,该并联机器人各个支链的8组位置反解;通过数值法求出了该并联机器人的位置正解,并分别通过MATLAB软件编程进行仿真,并用实例验证了其位置正解的正确性。然后,在运动学研究的基础上,运用牛顿-欧拉动力学方法建立了该并联机器人的动力学模型,推导出了基于牛顿-欧拉动力学方法的杆件的速度、加速度、惯性力以及各个关节的平衡力和驱动力矩的递推计算公式。并通过MATLAB软件进行编程仿真,得出了在动平台轨迹已被规划的情况下的各个支链驱动力矩仿真结果。最后,以系统运动学、动力学模型为基础进行了系统的构型优化,使得系统消耗的总能量最小,达到绿色环保的目的。本文采用的牛顿-欧拉动力学方法,通过将并联机器人的某条支链从关节处切开,使其变为开链结构,通过牛顿-欧拉递推算法,可以逐个杆件地推出其各个关节处的约束力以及杆件所受的惯性力,从而为将来对该并联机器人进行柔性分析提供一定的依据。

摘要： For robotic systems to continue to move towards ubiquity, robots need to be more autonomous. More autonomy dictates that robots need to be able to make better decisions. Control theory and machine learning are fields of robotics that focus on the decision making process. However, each of these fields implements decision making at different levels of abstraction and at different time scales. Control theory defines low-level decisions at high rates, while machine learning defines high-level decision at low rates. The objective of this research is to integrate tools from both machine leaning and control theory to solve higher dimensional, complex problems, and to optimize the decision making process. Throughout this research, multiple algorithms were created that use concepts from both control theory and machine learning, which provide new tools for robots to make better decisions. One algorithm enables a robot to learn how to optimally explore an unknown space, and autonomously decide when to explore for new information or exploit its current information. Another algorithm enables a robot to learn how to locomote with complex dynamics. These algorithms are evaluated both in simulation and on real robots. The results and analysis of these experiments are presented, which demonstrate the utility of the algorithms introduced in this work. Additionally, a new notion of "learnability" is introduced to define and determine when a given dynamical system has the ability to gain knowledge to optimize a given objective function.

关键词： Robotics   Automation   Business enterprises -- United States   Accounting -- Computer network resources   Finance -- Computer network resources  

摘要： The article offers information on the vital role of robotics in finance and accounting departments of companies in the U.S. The topics discussed include the implications of robotic desktop automation (RDA) and robotic process automation (RPA) on companies, the tasks performed by both RDA and RPA, and the probability of robotic automation to human error.