关键词： 机器人学   第二定律   文博士  

摘要： "昨晚我做了个梦。"LVX-1平静地说。苏珊·凯文一言不发,但她那因智慧和经验而满布皱纹的脸上,似乎闪过一丝细微的抽搐。"您听到了吗?"琳达·鲁旭紧张地说,"跟我刚刚告诉您的一样。"她是个身材娇小的年轻女子,有着深色的头发。此刻,她的右手不停地握拳又松开。凯文点点头。她平静地说:"艾弗克斯,从现在开始,你不能动,不能开口,也听不见我们说话,直到我喊你名字为

关键词： 机器人技术   计算机   伦理规则   无人驾驶汽车   温菲尔德   佩雷拉   机器人学   军用机器人   伦理困境  

摘要： 创建有伦理意识的机器人,是人工智能面临的一项最艰苦挑战之一。若要取得重大突破,必须将相关伦理意识融入到人工智能的研发中,并借助逻辑学提出符合伦理要求的选择。科幻作家伊萨克·阿西莫夫(Isaac Asimov)在多部科幻小说中,经常提到机器人的工程安全防护和它的伦理道德标准。在1942年科幻小说《环舞》

关键词： Design engineering   Robots   Engineering education   Construction toys   Mathematics education   STEM education   Teacher education   Mathematical integration   Preservice teachers  

摘要： The use of integrated science, technology, engineering and mathematics (STEM) instruction has the affordances of combining harmonious content area connections into real-world experiences that are both engaging and challenging. This article introduces findings from a study that used an integrated robotics module to expose in-service and preservice teachers to the engineering design process, programming, mathematical connections and context, and problem-based learning. With participants ranging from novice to advanced user, this integrated module proved that given the appropriate scaffolding, anyone can successfully program a robot and have fun while engaging in STEM learning along the way. Implications lead to the conclusion that teacher preparation programs should integrate activities such as this to better equip teachers to engage students in the wonders of STEM in their own classrooms.

摘要： The aim of the future space missions would be exploring near earth planets and asteroids. This would mean longer flight durations requiring a space habitat. Longer flight durations would require frequent maintenance and repairs of the space habitat. This would involve the risk of exposing astronauts to the harsh environments while conducting extra-vehicular activities. This risk can be minimised by using a tele-operated free- flying robot. Free- flying robots are a unique class of robots which do not have rigid fixed base and oat in space. A concept of Smart Maintenance Inspection and Robotic Free- flyer (SMIRFF) is presented in this thesis. SMIRFF is a compact free- flyer with two robotic arms. It uses cold-gas thrusters to position and orient itself in space. With an array of on-board sensors, cameras and robotic arms, SMIRFF is capable of performing visual inspection along with minimal maintenance and repair works. SMIRFF weighs roughly around 10 Kg. Since NASA has been exploring the possibilities of using 3-D printing technology, custom made versions of this robot can be additively manufactured for task specific purposes. The aim of the thesis is to derive the kinematics of SMIRFF using modified Denavit-Hartenberg parameters. Using these kinematic relations, the non-linear dynamical model is constructed using an Iterative Newton-Euler method. A simulation showing the effect of simple manipulator arm motion on the base is demonstrated. The next step involves showing usefulness of the simulation environment, SimMechanics (MATLAB/SIMULINK) in simulating such complex multi-body systems. Finally, a quaternion based feedback controller is used to control the attitude of the floating base by counteracting the reaction moments generated due to the motion of the manipulator arms.

关键词： Cardiopulmonary exercise testing   incomplete spinal cord injury   rehabilitation   robotics-assisted tilt-table  

摘要： Purpose: Robotics-assisted tilt-table (RTT) technology allows neurological rehabilitation therapy to be started early thus alleviating some secondary complications of prolonged bed rest. This study assessed the feasibility of a novel work-rate-guided RTT approach for cardiopulmonary training and assessment in patients with incomplete spinal cord injury (iSCI). Methods: Three representative subjects with iSCI at three distinct stages of primary rehabilitation completed an incremental exercise test (IET) and a constant load test (CLT) on a RTT augmented with integrated leg-force and position measurement and visual work rate feedback. Feasibility assessment focused on: (i) implementation, (ii) limited efficacy testing, (iii) acceptability. Results: (i) All subjects were able follow the work rate target profile by adapting their volitional leg effort. (ii) During the IETs, peak oxygen uptake above rest was 304, 467 and 1378 ml/min and peak heart rate (HR) was 46, 32 and 65 beats/min above rest (subjects A, B and C, respectively). During the CLTs, steady-state oxygen uptake increased by 42%, 38% and 162% and HR by 12%, 20% and 29%. (iii) All exercise tests were tolerated well. Conclusion: The novel work-rate guided RTT intervention is deemed feasible for cardiopulmonary training and assessment in patients with iSCI: substantial cardiopulmonary responses were observed and the approach was found to be tolerable and implementable.

关键词： 机器人   运动学   动力学   参数辨识   运动控制系统  

摘要： 近年来,我国工业机器人井喷式发展及应用已经成为了一种不可阻挡的趋势,工业机器人关键技术研发是机器人产业的核心问题,尤其在一些高端应用场合,比如弧焊、涂胶、打磨等应用领域,对机器人的防护等级、速度和加速度性能、位置精度、运动平稳性等要求十分苛刻。本文结合安徽省自然科学基金项目以及安徽埃夫特公司实际工业需求开展了基于基于参数辨识的机器人动力学控制系统的研究。本文首先对国内外机器人发展状况做了简单介绍,引出了本文将研究的目标和技术问题。针对需开发的六关节机器人机械模型,给出了机器人的技术参数,基于D-H法则对机器人进行了运动学建模,描述了机器人TCP点在基坐标系之间正运动学、逆运动学求解问题,这是进行下一步建模和研究的基础。根据能量守恒的原理和应用拉格朗日(Lagrange)法建立起了机器人动力学模型,完成了算法的推导,并进行了验证,然后分析了影响机器人动力学参数辨识的相关因素,应用最小二乘法完成了机器人动力学参数辨识。在此基础上建立了机器人伺服控制器模型,进行了动力学前馈控制技术的研究,实现了机器人前馈控制、机器人实时操作系统、高速伺服总线等技术工程化应用,研制出了满足ER50技术指标的机器人的控制器,并进行了相应的性能测试实验。实验表明,机器人具有良好的精度和动态性能。最后对本文进行了总结,提出了课题拓展研究的方向。

关键词： 独轮车机器人   PID控制   LQR控制   离散控制   RBF神经网络  

摘要： 独轮车机器人作为移动机器人领域的一个重要组成部分,同以往的四轮,三轮或者两轮移动机器人相比其动力学建模和控制问题更加困难,该机器人与地面只有一个接触点,属于非完整约束,在控制俯仰平衡的同时还需要控制横滚平衡。独轮车机器人因为其自身结构上的特点,决定了它具有多变量、强耦合、高度非线性,欠驱动和静态不稳定动态稳定等特点,其姿态的平衡控制问题,对于控制理论与控制工程具有很大的挑战性。本论文的研究涉及到了分析力学、机器人学、控制理论与应用、MATLAB应用、神经网络智能控制等多学科的内容。 本论文以一种能够实现自平衡运动的独轮车机器人为研究对象,在机器人的机械系统方面分为行走轮机构,横滚平衡机构以及航向控制机构,其车体在行走轮电机的驱动下可以实现俯仰平衡,车体上设计有平衡杆,该平衡杆用于实现车体的横滚平衡,车架上安装了专门用于航向控制的航向驱动。本文基于Routh方程建立了独轮车机器人的动力学模型,针对线性控制以及非线性控制,重点设计了PID控制器,LQR控制器,PID&LQR控制器,离散控制器以及基于RBF神经网络自适应控制器,采用Matlab中的Simulink模块和S-function模块对设计的控制系统进行了平衡控制仿真。从仿真实验结果中可以得出,通过上述控制器可以使机器人在2S左右的时间内实现俯仰、横滚以及航向三个方向的控制。在本文的最后介绍了独轮车机器人的实物样机初步搭建,分别介绍了机器人的机械系统和软硬件控制系统,为后续研究做了铺垫。 独轮车机器人是典型的非线性,强耦合,欠驱动,时变系统,该机器人的研究和发展对控制科学领域和机器人学领域均有着深远的意义。

关键词： 轮履复合式   反恐机器人   结构设计   运动学分析   动力学仿真   样机试验  

摘要： 现阶段境内外民族分裂和宗教极端势力活动频繁,我国遭受恐怖主义袭击的现实可能性增加。恐怖活动不仅对人民群众的生命财产构成威胁,而且对国家的政治、经济和社会发展造成巨大影响,严重影响区域稳定与发展,给社会造成无法估量的后果。在这种形势下,反恐机器人应运而生,反恐机器人可以安全的实现危险物的转移、爆破以及打击恐怖活动等,从而减少人员伤亡和财产损失,可以广泛应用于军事、消防、公共安全等场合。本课题研究的目标是设计一款轮履复合式的反恐排爆机器人,机器人行走机构采用轮式和履带式相结合的方式,在平地上采用轮式机构行走,在越障及攀爬楼梯时采用轮履复合式机构行走。将两种行走机构的优点结合起来,既能使机器人在平地上行走速度快、操纵灵活,又能适应各种复杂的地面环境。首先,分析国内外反恐机器人研究发展现状,了解各种机器人工作环境以及能够实现的任务,并对轮式移动平台和履带式移动平台做了详细分析。针对轮式机构在平坦地面上运动性能突出,履带式机构在复杂地面运动具有优越性等特点,将两种机构巧妙的结合起来,在运动过程中轮式和履带式机构交替使用,从而设计出一种新型轮履复合式机构方案。接下来进行轮履复合式机器人移动平台结构设计,建立零件三维模型确定各零部件详细尺寸参数,并对关键零部件进行有限元分析确保其可靠性。进一步对机器人移动平台的运动学进行理论分析,为样机研制及实验提供基础。然后完成机器人虚拟样机装配并进行机构动力学仿真研究,利用PROE软件建立机器人简化模型,导入ADAMS软件,在ADAMS中创建虚拟样机模型,进而对机器人的爬坡、越障、攀爬楼梯等运动进行仿真分析,得出机器人相应运动部件动力学仿真曲线。最后,完成机器人各部分零部件加工和样机装配,样机装配完成后进行机器人实验,主要对其在不同环境下的运行状态进行实验验证,监测运动性能,并对理论预期结果与实验结果进行对比研究,进而对模型进行校对与修正。

关键词： 医疗康复   并联机器人   动力学建模   神经网络自适应PID控制   PSO算法  

摘要： 并联机器人具有运动负荷小、微动精度高、末端件惯性小以及动态响应快等优点，目前已被广泛应用于航空、军事、医疗等领域中。本文以康复机器人为背景，将一种6-DOF并联机器人作为其主机构，并进行并联机器人控制系统的研究，以实现患者做下肢康复训练时，并联机器人具有更好的运动性能。由于常规的控制方法无法达到期望的控制效果。因此，本课题的主要目的是寻找一种适合医疗康复的控制方法,以实现并联机器人完成复杂运动时仍能保持较高的轨迹跟踪精度。　　首先详细分析了6-DOF并联机器人的结构模型，建立了位置坐标系，然后基于坐标变换理论，推导了位姿反解方程，求出了雅克比矩阵，最后对其运动学进行了计算，并以动平台转动为实际算例，在Matlab软件中对其进行了仿真实验。　　在分析了机构刚性体模型的基础上，基于拉格朗日法推导了其动力学方程，分别对动平台和各条分支杆件进行了动力学建模，然后推导了两者之间的联合方程，最后对其结构模型采取了优化处理，为后续控制系统一系列关键问题的研究提供了一定的理论依据。　　由于并联机器人动力学模型较为复杂，常规的控制方法很难对其实现轨迹跟踪的精确控制。鉴于此，在深入分析了 BP网络、PID控制和PSO算法所有优点的基础上，提出了一种改进粒子群优化(IPSO，Improved Particle Swarm Optimization)的BP神经网络自适应PID控制算法(简称IPSO BP PID控制算法)。在研究PSO算法时，针对其收敛性能问题，对算法中的两个关键参数进行了重大改进，分别是惯性权重的重新调整和收缩系数的优化，然后基于改进后的PSO算法训练BP网络的连接权值，并采用优化后的BP网络调整PID的关键参数，最后在Matlab环境下分别对PID、BP PID和IPSO BP PID控制方法进行了仿真与对比分析。结果证明，IPSO BP PID控制算法可以明显提高系统的控制精度。　　最后，在Matlab环境下对6-DOF并联机器人进行了控制系统实验平台的搭建和IPSO BP PID控制器的设计，然后分别将PID和IPSO BP PID两种控制算法对其进行了仿真与对比分析。结果表明，IPSO BP PID控制算法相比于常规的PID算法明显地提高了系统的轨迹跟踪性能。

关键词： 线上移动机器人   动力学模型   神经网络   实验平台  

摘要： 一种杂技表演项目“软钢丝”经过世界各国杂技表演艺术家们的不懈努力,最终在视觉效果上征服了观众。本文的目的是通过线上移动自平衡机器人的柔性建模与控制器设计,探索人类“软钢丝”表演的规律,以此为理论指导设计一套柔性钢丝实验平台,并以前人的物理样机为基础重新设计控制器从而进行柔性钢丝条件下的仿真和实验。 首先,本文应用阿沛尔方程和罗斯方程这两种不同的动力学建模方法,对前人建立的动力学模型进行验证。接着,鉴于该模型是一种简化模型,为了避免建模的不精确,本文基于模型设计了一种滑模自适应智能控制器,该控制器是以RBF神经网络为基础的。通过基于MATLAB的计算机仿真实验,验证了该控制器不仅具有很强的自适应能力,而且对外界环境产生的干扰具有一定的抵抗能力。在此基础上,本文提出了一种可以将钢丝的柔性因素定量采集并加入机器人模型的方法,并采用阿沛尔方程建立了更加精确的动力学模型。为了避免控制器参数的试凑,本文仍然使用神经网络滑模自适应控制器对线上移动自平衡机器人实施控制。仿真的结果显示,该智能控制器对于柔性条件下的机器人仍然有效,且控制效果优于前人研究的基于部分反馈线性化的控制方法。最后,设计装配了一套柔性钢丝实验平台,用于完成实验。该实验平台的机械结构是基于SolidWorks软件绘图并加工的零件装配而成的；其测控系统的主要结构是控制器为C8051F040单片机,目的是处理数据较快,加上光电编码器和拉力传感器,配以自主设计、生产并焊接的电路板作为接口电路；上位机的数据接收及观测界面是使用一种面向对象语言C#编写的。本文使用该平台和一种线上机器人进行了静态平衡的联合实验,并在一定条件下获得成功。 本文从建模、控制器设计、仿真到实验,思路清晰,逻辑严密。分别从理论和工程的角度完成了更加复杂的线上移动自平衡机器人及其柔性实验平台的设计,为线上机器人的后续研究做出了积极贡献。