基于参数优化的球面并联机构仿生眼设计

首先确定仿生眼的目标工作空间,根据其结构的特殊要求,将目标工作空间内最差性能指标作为优化 对象,选取球面并联机构的结构参数．避免了将平均性能指标作为优化对象时可能出现某些姿态的性能较差甚至出 现病态雅可比矩阵的情况;同时,只在目标工作空间而不是可达工作空间进行优化,既体现了优化范围的针对性, 也避免了可达工作空间的计算．最终采用优化后参数设计的仿生眼实物符合设计要求．     

一种混合驱动柔索并联仿生眼的轨迹规划

在与眼球运动相关的解剖学和运动学的基础上,设计了一种符合Listing定理的基于混合驱动柔索并联机构的3自由度机器人仿生眼.通过矢量封闭方法建立了逆运动学模型,求解出柔索并联机器人的雅可比矩阵和结构矩阵.利用达朗贝尔定理建立柔索并联机器人的力矩平衡方程组,采用广义逆矩阵的相关理论,以柔索张力矢量的2范数最小为目标进行张力优化.用蒙特卡洛方法计算出仿生眼球可达工作空间.最后,在Simulink环境下进行仿真,规划运动轨迹并得到柔索并联机器人运动特性的仿真结果,证明了本文设计的机构符合Listing定理.结果表明:基于混合驱动柔索并联机构的机器人仿生眼结构合理,数学模型正确.     

基于边界搜索法的一种四自由度并联机器人工作空间分析

本文设计了一种新型四自由度并联机构,以动平台中心点为参考点进行了运动学逆解分析,采用边界搜索法分析并联机构定姿态时的工作空间,获得工作空间的三维图形.研究该并联机构的支链长度、动静平台半径和运动副转角等结构参数和运动参数对其工作空间大小的影响,为机构的参数优化提供理论依据.     

基于遗传算法的机器人动态视觉检测系统

建立了一种基于二自由度机器人视觉伺服系统,该系统通过实时监控和跟踪运动目标,实现对运动目标的相对距离和瞬时速度的动态检测。系统为双目视觉系统,采用遗传算法进行特征点匹配,利用其随机搜索的特点,更快更好地找到全局最优值,从而得到较高匹配精度的点。最后通过三维重建和建立速度模型,实现了对机器人动平台运动参数的动态检测,并给出测量精度及改进方法。此方法还适用于多自由度并联机器人和空间复杂运动的检测。     

基于遗传算法的动态视觉检测系统

建立了一种基于二自由度机器人视觉伺服系统,该系统通过实时监控和跟踪运动目标,实现对运动目标的相对距离和瞬时速度的动态检测;该系统为双目视觉系统,采用遗传算法进行特征点匹配,利用其随机搜索的特点,更快更好地找到全局最优值,从而得到较高匹配精度的点,最后通过三维重建和建立速度模型,实现了对机器人动平台运动参数的动态检测,并给出测量精度及改进方法;实验结果表明,此方法方便、有效,获得了较满意的检测结果;此方法还适用于多自由度并联机器人和空间复杂运动的检测。     

仿生眼运动视觉与立体视觉3维感知

为使机器人同时具备双目立体视觉和单目运动视觉的仿人化环境感知能力,克服双目视场狭窄、单目深度感知精度低的缺陷,本文基于人眼结构特点,设计了一个具有4个旋转自由度的双目仿生眼平台,并分别基于视觉对准策略和手眼标定技术实现了该平台的初始定位和参数标定.给出了基于外部参数动态变化的双目立体感知方法和单目运动立体感知方法,前者通过两架摄像机实时获取的图像信息以及摄像机相对位姿信息进行3维感知,后者综合利用单个摄像机在多个相邻时刻获取的多个图像及其对应姿态进行3维感知.实验结果中的双目视觉相对感知精度为0.38%,单目运动视觉相对感知精度为0.82%.本文方法不但能够有效拓宽传统双目视觉的感知视野,而且能够保证双目感知和单目运动感知的准确性.     

并联式四自由度定位平台性能优化

为了扩展扫描电镜的用途,实现微结构物性在线检测,本文基于4 PUU并联机构设计了一种扫描电镜定位平台．其结构简单,便于集成微操作装置．为优化平台机构的性能,本文建立了4 PUU机构的空间尺寸模型,绘制了机构性能图谱,分析了机构参数对机构可达工作空间、灵巧性、速度性能的影响,得到了具有良好性能的平台机构参数．     

直线超声电机驱动的平面3-PRR并联平台的运动学标定

以直线超声电机驱动的平面3-PRR并联平台为研究对象,基于视觉测量对它进行了运动学标定.首先介绍了该并联平台结构,然后推导了其运动学模型并给出了误差函数指标.针对并联平台运动学标定问题,利用CCD相机作为外部测量装置,通过图像处理技术对动平台上的人工特征中心定位,实现了对并联平台动平台位姿的精确测量;最后利用粒子群算法对并联平台运动学参数进行了优化,实现了对并联平台的运动学标定.标定实验结果表明:动平台走一个长轴为16mm、短轴为10mm的椭圆形轨迹,标定前轨迹误差最大大于800μm,标定后轨迹误差缩小到20μm以内,有效提高了并联平台的精度,验证了标定结果的有效性.     

一种并联式稳定平台的运动仿真

为了满足一种体积小,负载惯量大的小型无人浮式稳定平台的需求,设计了一种二自由度并联机构的可调平的稳定平台,该稳定平台的特点是采用固定的滚珠丝杆作为传动支链,从而能将驱动电机固定在底座上.通过平台进行结构和运动学分析,给出了平台的位置与速度的运动学反解解析表达式,并利用推导出的数学模型进行了数值仿真.仿真结果表明,设计的平台的各部件之间不存在干涉现象,能够达到侦察设备的要求;在较小的倾角内,可以近似认为电机转速与动平台倾角成线性关系,并对动平台的最大倾角做了分析.可为进一步的参数优化和控制系统设计提供了参考.     

仿生型机器视觉研究 *

在深入分析人类眼球的神经机理、运动形式和特点及人类视觉神经通路的基础上 ,从模拟人类眼球运动构筑仿生机器眼和模拟人类视觉感知机理应用于机器视觉两个方面 ,探讨了视觉仿生研究的方式方法、研究进展、应用前景和发展趋势。提出了采用复杂系统控制方法构建多自由度仿生型机器人双眼运动模型的思路 ,分析了人眼固视微动机制的综合利用和应用价值以及超人眼系统的研究设想等新的视觉仿生研究方向。     

耦合型3自由度并联稳定平台机构及其运动特征

基于舰船摇荡运动的耦合特征,采用耦合型3-SRR/SRU 3自由度并联机构作为舰载稳定平台机构,实现了稳定平台三轴驱动、动平台五轴联动补偿的目标．运用螺旋理论分析了机构的自由度和运动特征, 并讨论了输入关节选取的合理性|采用坐标等效运动的方法,建立机构耦合运动约束方程,得到了位置解及工作空间．本文将耦合型3-SRR/SRU 3自由度并联机构用于舰载稳定平台五轴联动补偿,拓展了少自由度并联机构的应用领域．     

基于姿态闭环控制的球面并联仿生眼系统设计与研究

提出了一种基于姿态反馈的球面并联机构闭环控制方法,有效地解决了该机构输入与输出之间复杂的3维非线性强耦合映射关系给构建闭环系统带来的问题.同时将球面并联机构应用到机器人眼设计上,制作了类似人眼运动特点、比人眼尺寸略大、具有控制和视频信号接口的仿生眼实物;基于数字信号处理器(DSP)的控制系统实现了逆解和闭环控制算法的实...     

数字低空空域栅格化的表征度量与最优标定

低空飞行空间范围小、目标速度慢、环境要素杂,传统的经纬度表征方式无法满足智联环境下的低空精细管理要求,为此本文研究了数字低空空域栅格化的表征度量与最优标定问题。首先,从“点-线-面”视角构建了多维度低空空域结构要素量化表征规则,提出了低空空域多层级栅格量化表征方法;然后,通过判定不同空域栅格的“点-线-面”位置关系,提出了基于栅格交集矩阵的低空空域拓扑关系度量方法;最后,综合考虑低空无人机碰撞指数、低空栅格利用指数等优化目标,以及节点与栅格匹配约束、空间位置约束、无人机与无人机/障碍物安全约束等限制条件,建立了面向多维性能的低空空域栅格粒度最优标定模型。针对城市低空典型飞行任务场景对所提方法的有效性及优化效果进行了验证分析。实验结果表明,针对任意设定的低空空域和无人机飞行任务,在可接受的无人机碰撞指数和栅格利用指数下,所提方法可对数字低空栅格粒度进行最优配置,从根源上有效确保低空飞行活动的安全和高效。研究成果对于支撑数字低空空域精细化管理和异质飞行器融合运行具有一定的理论价值和应用意义。     

咀嚼机器人运循环规划及驱动力优化分配方法

为了实现面向牙科患者的个性化成品义齿性能测试,基于6PUS-2HKP空间冗余驱动并联仿生咀嚼机器人,设计了可安装牙模的仿生上颌、下颌结构.针对义齿性能测试对高仿生咀嚼运动的要求,提出了一种基于颞下颌关节(TMJ)运动理论的后牙运循环参数化仿生规划方法.利用拉格朗日方程和虚功原理,推导了冗余驱动咀嚼机器人的动力学方程.分别以颞下颌关节内力2范数最小和驱动力2范数最小为优化目标,建立了基于遗传算法的冗余驱动咀嚼机器人驱动力优化分配数学模型.将食品质构仪获取的仿真食物力-变形关系曲线加载到机器人磨牙上完成了运循环下咀嚼仿真食物实验.结果表明,咀嚼机器人切牙运动轨迹形状、切牙运动速度变化规律、髁突运动形式等均与人类咀嚼运动一致,空载和加载仿真食物两种条件下均可求得合理的驱动力优化分配结果.同时,以仿真实验得到的6组驱动为输入,采用咀嚼机器人样机进行了运循环实验.样机实验和咀嚼仿真食物实验证明了运循环规划方法的仿生性和驱动力优化分配方法的可行性.     

一种新型大行程高精度并联微动机构的研究与分析

针对现有三平移微动机构存在的工作空间小、运动精度不高等问题,采用大行程柔性板簧与高精度缺口型柔性铰链相结合,提出了一种近似完全解耦的大行程高精度的3-PRC并联微动机构,并进行结构优化。采用矢量法得到机构的输入-输出关系,并给出该机构理论伴随运动误差。通过有限元仿真,对机构的放大比、伴随运动误差等性能进行评估。最后制作了样机、搭建了实验平台,通过实验测试验证机构的输出及解耦性能。结果显示,新型并联微动机构可以实现空间3维移动,机构的工作空间能达到188.75μm×186.0μm×185.12μm,最大伴随运动误差为5.6%。     

3-RRR并联机器人的精度分析与仿真

目前有关并联机器人精度方面的研究工作还比较薄弱,为采取有效措施提高并联机构的精度,通过对3-RRR并联机器人机构的分析,针对传统D-H参数法的局限性,采用微分理论,建立了该并联机器人机构的精度模型,通过计算机仿真,针对单条支链多个结构参数误差,比较全面的分析了结构参数对输出位姿误差以及位姿变化对机器人机构精度的影响。分析结果为：机构中所有结构误差随着X轴正向增大而单调增大;运动支链在关节转角处的误差单调上升的比其他结构快。为该机器人机构实际误差补偿与控制提供了理论依据。     

一种六输入三自由度并联平台机构分析

提出一种六输入、动平台自由度为3的并联平台机构.对于动平台,输入是冗余的.引入协调构件,使机构的自由度为6,所以对于整个机构,输入是确定的,避免了超确定输入协调控制的问题,同时使机构具有冗余驱动机构的优点.将动平台和协调构件的运动作为机构的广义输出,对机构进行了运动学分析,建立了输入和广义输出的映射关系,得到了机构的1阶、2阶影响系数矩阵.应用虚功原理和达朗贝尔原理对机构进行了动力学分析,得到了动力学模型.仿真结果表明,该并联平台机构具有承载能力高等特点,是设计重载并联机构的一种新的解决方案.     

65米射电望远镜副面调整系统姿态精度监测与回零策略

上海天文台65米射电望远镜的副面调整机构为Stewart型并联机器人,为了及时发现该并联机器人因机械磨损或误差累积造成的精度下降问题,使用倾角传感器对并联机器人动平台姿态进行检测,求得动平台姿念均方根误差并将其与设计指标进行比较,从而用户可以判断是否需要进行维修或回零操作.为了提高并联机器人的易维护性,设计了光电传感器回零和磁尺(磁致伸缩位移传感器)回零两种回零方式,分析了两种回零方式以及通过回零操作对光电传感器和磁尺精度进行检测的原理.总结了该并联机器人需要进行回零操作的不同状况,并给出了相应的回零控制策略.实验证明本文提出的回零控制策略是解决并联机器人回零问题的一种有效方法.     

DSP体系结构下视觉监控优化方法研究

探讨了智能视觉监控算法在TI DSP平台上的移植方法。详细介绍了算法优化、CCS编译器优化、C代码优化、汇编指令优化及存储器配置优化等优化技术。通过具体的监控实例,在TMS320DM642平台上实现了多个运动目标的实时检测、跟踪算法,结果表明,对DSP进行优化之后其性能获得了指数级的增长。     

基于性能驱动的船载稳定平台尺度参数优化设计

为提升船载稳定平台的运动学性能,针对■并联机构的尺度参数优化问题,以机构的工作空间体积和全域力传递率为综合评价指标,采用小生境遗传算法优化得到稳定平台的最佳几何构形。具体地,采用数值法与解析法相结合的方式判断支链长度、关节转角、奇异位形等约束条件的生效情况,求解出并联稳定平台的工作空间;基于力雅可比矩阵逆矩阵的最小奇异值定义机构的局部力传递性能,以工作空间内局部力传递率的平均值作为全域力传递性能评价指标;以工作空间体积和全域力传递率的加权和为优化目标,采用小生境自适应遗传算法完成优化求解,获得最优尺度参数。与初始构形的性能对比分析表明,优化构形在力传递性能方面有35%的提升,具有更好的综合运动学性能。制作试验样机并完成相关实验,验证了所提尺度参数优化方法的有效性。最后探讨了多目标优化过程中不同的权重系数取值对优化结果的作用规律,发现选用均衡的权重可获得更佳的综合性能。