骨科虚拟手术仿真系统研究

基于软件平台JAVA3D和VTK开发出了正骨机器人虚拟手术仿真系统.论述了仿真系统体系结构和主要功能;分析了虚拟手术仿真目标的实现策略;给出了主从操作和并联主手监控实验的仿真结果.结果表明,该仿真系统结构合理可靠,构建的虚拟环境和仿真算法可逼真地演示机器人系统的手术过程.     

基于虚拟仿真的龙门机器人板材智能分拣系统及方法

在木门加工生产线上,针对龙门机器人对不同尺寸板材分拣的需求,本文提出了一种基于虚拟仿真的龙门机器人板材智能分拣实验系统。该系统基于Unity3D软件平台开发,搭建了龙门机器人分拣任务虚拟仿真场景,并在虚拟仿真实验场景中完成了虚拟数据集采集、相机标定以及手眼标定。针对不同尺寸的板材分拣任务,本文提出了基于板材的矩形角点势自适应识别的智能分拣算法,首先利用目标检测模型在局部区域内对板材进行角点检测,由双目成像原理恢复出的角点三维坐标计算板材尺寸和目标板材的抓取位姿,以此完成木门的分拣。该方法在相机采集图像过程中出现板材被遮挡的情况以及在板材复杂纹理和复杂背景的情况中更为鲁棒。此外,该方法完全在虚拟仿真环境下进行开发测试,不仅节约成本、安全高效而且方便进行多种测试方案的改变,对于向真实场景进行算法迁移和开发具有积极作用。实验结果表明,本文提出的方法可以完成龙门机器人板材智能分拣任务,对设计木工家具制造过程中龙门机器人智能分拣系统具有指导意义。     

LabVIEW的瞬态热线法导热系数测试系统的开发

研制了一种基于LabVIEW平台的瞬态热线法测量导热系数的测试系统,从测量原理、系统硬件、系统软件、数据处理等方面说明了该系统的设计过程.采用有限容积法对瞬态热线法导热系数的测量过程进行数值模拟,并建立迭代算法处理实验数据.通过LabVIEW调用动态链接库混合编程实现了LabVIEW平台对Fortran语言的调用,集成了数据采集和处理模块,实现了测试系统的自动化.通过测量氮气的导热系数验证了该测试系统的可靠性.     

经纬仪测试场景仿真系统研究

虚拟测试场景的可视化仿真是经纬仪室内性能测试的重要手段,构建了虚拟测试场景仿真系统总体结构,该系统主要为虚拟测试提供三维虚拟场景和场景仿真图像.论述了虚拟场景仿真中基于目标运动特征的轨迹、姿态建模方法及背景云图模拟技术,图像仿真时目标姿态扰动模拟、灰度模拟及目标、背景图像实时合成等关键技术.采用VC++和OpenGL,开发了经纬仪虚拟测试场景仿真系统,应用表明,生成的三维场景、合成出的目标、背景图像及数据有效满足了经纬仪相关性能的测试需求.     

组态软件在视觉显示装置设计上的工效学应用研究

通过对视觉显示装置在设计时的工效学问题的研究,以人因工程学为原理,并引入组态软件仿真的系统方法,建立视觉显示装置虚拟动态实时模拟设计的新方法.仿真视觉显示器实际现场过程状态,将有助于设计者在设计时,由静态性设计提高到动态模拟性设计的水平.该虚拟动态实时仿真设计的新方法使得视觉显示器的设计更符合人因工程学,设计周期缩短,效率提高,研制成本降低.     

机器人双臂建模与击掌碰撞虚拟样机仿真

碰撞是仿人机器人研究的难点.今设计了5自由度仿人机器人上肢体,并且基于雅克比矩阵建立了速度运动学模型;基于拉格朗日能量函数法,建立了动力学模型;采用广义非线性等效弹簧阻尼模型,建立了碰撞动力学模型.参照人体特性,搭建了ADAMS虚拟样机仿真平台,进行了上肢体击掌动作仿真实验,开展了不同刚度系数值下的手部接触碰撞仿真.实验曲线表明动作仿人,角速度曲线满足正弦曲线形态;碰撞中,肘关节所受力矩最大;缓冲后,腕关节所受力矩大于肘关节.证明碰撞仿真平台有效,碰撞时应采用较小的仿真步长.     

矿物颗粒的随机分形仿真算法

具有复杂形状的真实矿物颗粒仿真已成为影响分选理论研究一个重要瓶颈.为实现对矿物颗粒的真实模拟,提出了一种随机仿射分形仿真的计算机图形学算法,利用VC和OpenGL编程实现,并已应用于煤炭颗粒的振动筛分过程的虚拟实验仿真系统中.应用表明该算法能真实地模拟实际颗粒,增加了仿真的真实感和准确性,并具有较高的运行效率.     

机器人视觉Kalman和FIR滤波稳像算法设计与比较

稳像是提高基于视觉的移动机器人作业精度的关键。论文建立了完整的稳像算法流程,包含图像运动学模型、KLT特征提取、SAD特征匹配和滤波算法;设计了运动参数的Kalman和FIR滤波算法;并利用MATLAB实现了运动参数的Kalman和FIR滤波器;仿真验证和对比分析了Kalman和FIR滤波器对运动参数的去抖效果。结果表明,机器人视觉稳像中,Kalman滤波效果优于FIR滤波。用VC++和OpenCV编程实现了基于Kalman滤波的机器人视觉稳像软件,在双机器人移动平台上开展了实验,稳像计算时间小于视频采样时间,系统满足机器人对接作业实时性和精度要求。     

振动环境工程仿真系统平台

介绍振动环境工程仿真系统平台(SPVT-Simulation Platform for Vibration Test)),该平台综合了计算机仿真技术、结构有限元计算、数据库管理、数据可视化技术等多门技术,力求为振动环境试验的发展探索出一种试验与计算机仿真相结合、相互促进的途径.鉴于地面随机振动环境适应性评估在武器工程研制中的重要性,本平台对地面振动环境工程中的建模技术、试验再现技术、模型修正技术及计算机仿真、集成技术进行研究,最终建立一个面向设计、试验人员及领导的、可用的、能基本模拟振动环境试验的工程仿真系统平台,该平台的使用可以提高振动环境工程试验的工作效率、试前的预示能力、试后的分析能力并降低试验风险.可以为分析和试验人员极大限度地利用仿真和试验的结果进行相关的预分析和评估等研究.     

面向排爆机器人的虚拟仿真训练系统设计与实现

针对排爆机器人使用和训练的需求,设计并实现了一套排爆机器人虚拟仿真训练系统.首先分析了排爆机器人的常见结构,针对一种通用结构设计的排爆机器人设计了仿真训练系统的结构,并对仿真系统的几何建模、运动模型和碰撞检测进行了分析,最后实现了排爆机器人虚拟仿真训练系统.该系统使操作手能够熟悉并掌握排爆机器人的操作.     

自由飞行空间机器人地面实验平台系统规划器

为了研究自由飞行机器人的运动学和动力学特性,开发了可以在地面上模拟空间微重力环境并能自主捕捉目标的双臂自由飞行空间机器地面实验平台仿真系统。介绍了整个系统的组成,讨论了系统所采用的规划器,主要介绍了规划器采用的控制策略和规划算法,最后用计算机仿真验证了规划器的正确性。     

智能写字机器人机构与递阶控制系统设计

设计了6自由度转动关节机器人机构.基于坐标变换,建立运动学模型.三级递阶控制的组织级采用PC机.利用视觉获取字符图像,通过网格化得到字符点阵.通过计算脊信息,得到笔画.利用笔画中心点的聚类分析确定书写顺序.协调级采用MSP430单片机实现通讯和多舵机协调运动.执行级基于舵机实现关节的位置闭环控制.在自主开发的样机上,开展了写字实验,验证了设计的有效性.     

虚拟立体视觉自由飞行昆虫运动参数测量系统

本文提出了用于测量自由飞行昆虫运动参数的立体视觉测量系统,实现了高扇翅频昆虫双侧翅膀运动参数的测量.文章在分析虚拟四目立体视觉测量原理的基础上搭建了虚拟四目立体视觉测量系统,并设计了自由飞行昆虫的引导装置,最后利用该测量系统和引导装置实现了自由飞行昆虫双侧翅膀运动参数的测量.实验结果表明该系统不仅降低了系统成本而且减少了多摄像机同步驱动的复杂性,对研究自由飞行状态昆虫运动机理具有重要意义.     

Development of a telepresence robot with adaptive shared controller

ABSTRACT

This study presents the design and control of a telepresence robot based on an omnidirectional mobile platform. A personal computer is used as a user interface for communication via internet to a laptop computer placed on the mobile platform. The laptop computer receives user’s commands to control the mobile robot. Collisions of robot with obstacle can still occur during remote controlling because of the limitation of a fixed camera on the robot and/or internet latency. We first use an artificial potential field to prevent these collisions, and then design an adaptive shared controller (ASC) to improve the performance. This ASC method modulates the weights of human control and assistance control online not only according to environmental factors, but also based on the user’s control performance. Meanwhile, we use the iterated closest point (ICP) algorithm to build a map for providing user functional reference. The experimental results show that ASC is efficient in both obstacle avoidance and user workload reduction.     

多自由飞行空间机器人控制系统结构的设计与实现

阐述了多个自由飞行机器人协调操作自主控制系统的控制结构。首先介绍了控制系统结构的组成,讨论了控制系统的策略控制器,介绍了控制系统的运动控制器并给出了控制机器人飞行和操作所采用的控制算法。     

基于区域划分的动态目标跟踪算法

为解决机器人足球比赛视觉子系统搜索目标时存在的误报和漏报问题,提出了基于区域划分的动态目标跟踪算法。首先建立比较合适的目标特征颜色信息库,然后划分成多级搜索目标可疑区域,来搜索目标可疑点,在可疑点周围建立跟踪区域,寻找最终目标点。最后用计算机仿真验证了算法的优越性。     

一种基于机器视觉的平面加工机床控制系统的设计

针对服装、包装等加工行业中须将人工测量的纸质图纸或模型样件的尺寸信息录入计算机并转换成电子加工图纸而导致的加工周期长、生产效率低的问题,提出了一种基于机器视觉的平面加工机床控制系统,以实现对纸质图纸或模型样件的快速检测。采用“ARM+DSP”方式搭建了主从式运动控制系统,设计了系统各部分功能模块。构建了“工控机+工业CCD （charge coupled device,电荷耦合器件）相机+光源控制”的视觉检测系统,结合FAWS（feature adaptive wavelet shrinkage, 自适应特征的小波收缩）算法和麻雀搜索算法提出一种改进的FAWS算法进行图像降噪,并采用Canny算法进行图像边缘检测,实现图像轮廓的准确提取。设计了图像轮廓提取、轮廓数据转换为加工数据、数据通信等处理程序,实现了基于机器视觉的快速检测以及在系统加工过程中的人机交互。最后,对系统进行了实验测试,对实际加工效果进行了评价。结果表明,采用所研制的平面加工机床控制系统不仅能显著提高生产效率,而且能减小图像轮廓的误差。其性能稳定可靠,具有一定的工程实用价值。     

基于YOLOv5和U-NET的多目标药盒抓取系统设计

目的 解决传统机器视觉机器人抓取系统对多目标及复杂目标背景分割不精确导致的目标定位精度差而影响机器人抓取效率的问题,提出一种新的深度学习抓取识别定位系统。方法 搭建由Delta机械臂、PC上位机、双目相机等组成的硬件系统,对工业部署常用的YOLO系列算法进行对比研究。将YOLO与U-NET相结合,用于目标的检测和分割。在精确分割出属于目标和背景目标的像素区域的同时,计算边缘和中心位置信息,运用立体视觉技术得到三维位置,并转换为世界坐标系,由PC机引导机械臂去完成抓取任务。结果 深度学习目标检测和图像分割相结合的系统在较复杂背景、多目标的场景下比未添加图像分割的算法拥有更好的目标定位精确度。结论 YOLOv5和U-NET相结合的目标定位抓取方法具有较高的鲁棒性,达到了并联机械臂的抓取要求。该方法能够运用于其他多自由度机械臂上,具有良好的应用价值。     

基于机器视觉检测的码垛机器人控制系统设计

目的为了提高码垛机器人对码放物品的自我分辨能力,提高码放效率,提出一种基于机器视觉检测的包装码垛机器人控制系统。方法首先分析机器视觉码垛机器人工作过程,基于工业控制计算机和图像采集卡设计码垛机器人控制系统,提出控制系统的硬件设计和软件设计。同时对机器视觉采集到的图像进行滤波、分割等图像处理,以提高机器人的视觉检测效率。结果实验结果表明,机器视觉码垛机器人的漏抓率为0,误抓率小于0.5%。结论该控制系统有效解决了规则物品的分类码放,实现了高效的物品码放。     

基于对偶四元数的单目视觉目标位姿测量

目的在机器人视觉应用领域中,为控制机器人能够完成焊接、搬运、跟踪等任务,需要确定摄像机与目标之间的相对位姿关系,提出一种目标位姿测量方法。方法利用单摄像机获取目标特征,坐标变换参数表示为对偶四元数的形式,同时计算旋转矩阵和平移向量,构建位置向量和方向向量的测量值与模型值之间的误差方程,利用Hopfield神经网络实现拉格朗日乘子法,求解目标位姿最优解。结果利用Matlab软件平台,选择SVD,DQ以及文中算法进行比较,仿真实验结果表明,基于Hopfield神经网络和对偶四元数的位姿测量算法计算出的位姿参数误差最小。随着测量点数量的增大,文中提出的算法精度更高。结论对偶四元数同时求解位姿变换矩阵的旋转分量和平移分量,可消除计算误差,基于Hopfield神经网络和拉格朗日乘子法,可快速准确地计算,并收敛至目标位姿最优解。