面向扑翼飞行控制的建模与奇异摄动分析

针对扑翼飞行中的周期性和时标不一现象,以及扑翼飞行实际控制中的问题,本文基于奇异摄动理论,提出了一种针对扑翼周期系统的稳定性分析方法.具体而言,首先建立了扑翼飞行器的多刚体模型,为后文对翅翼动力学的奇异摄动分析铺平道路;其次,对多刚体模型进行简化,抽象出扑翼飞行动力学的核心问题,并针对实际控制中的问题,提出了利用奇异摄...     

主从遥操作位置-速度混合映射研究

主从异构型遥操作机器人系统在主从结构、自由度等方面的差异,导致其主端小范围操作空间难以覆盖从端大范围工作空间,以及从端难以精确定位。针对此问题,首先搭建了一套主从异构型遥操作机器人系统的软硬件平台,然后对主从端机器人进行运动学建模,进而提出了一种主端位置-从端速度和主端位置-从端位置混合切换的映射算法。一方面,所提算法通过主端位置-从端速度映射模式解决主从工作空间不匹配的问题,从而提高大范围空间下从端抵近目标的效率;另一方面,所提算法通过主端位置-从端位置映射模式实现从端精细定位,同时克服主端位置-从端速度映射中从端无法快速换向运动的缺陷。实验结果表明,所提混合映射算法能够实现主端遥操作从端机器人高效地完成复杂、精细的操作任务。     

面向柔软样品的AFM纳米操作可视化系统

在对细胞、生物大分子等柔软样品进行纳米操作时,原子力显微镜(atomic force microscope,AFM)面临缺乏实时视觉反馈的问题.为此,搭建了一套面向柔软样品的AFM纳米操作可视化系统.具体而言,首先建立了AFM形貌图像坐标系到虚拟场景坐标系之间的映射关系,从而得到虚拟场景中样品的顶点信息,进而通过3维图形引擎渲染样品的虚拟形貌.在此基础上,提出了一种基于接触力学理论的样品形变估计和仿真方法,对探针按压导致的样品形变进行了虚拟视觉反馈,从而使得刻画的虚拟形貌能够和样品的真实形貌保持一致,并准确地还原按压过程中样品表面的形貌变化.仿真和实验结果表明,所设计的纳米操作可视化系统能够在虚拟场景中实时呈现AFM纳米操作过程.     

融合人类认知模式的自主发育网络及其在手势识别的应用

自主发育算法在智能机器人等领域有着广阔的应用前景,考虑到现有方法的局限性,本文提出了一种融合人类认知模式的自主发育神经网络,并将该方法应用于手势识别任务中。通过动态改变神经元预响应值计算过程中的人为指导部分来模拟人类的学习方式,提出了基于动态 k值的top-k 竞争机制,并模拟人脑对知识的接收和记忆功能实现优胜神经元突触权重的更新,最后基于神经元认知能力反馈进行突触重调整。对比实验结果表明,与原有方法相比,经该文改进后的自主发育网络在手势识别任务中具有更好的学习效果和更高的识别率。     

融合五自由度位姿信息的单目内窥镜目标尺寸测量

针对低分辨率、弱纹理、缺少参照物的小场景下内窥镜图像目标测量困难问题,提出了融合5自由度电磁传感器的单目内窥镜下目标尺寸测量方法。首先,分析了基于5自由度传感器的内窥镜定位原理,得到内窥镜沿主光轴方向的位移。接着,以结石目标为例分析了图像目标关键信息的导航采集方法,即通过语义分割网络获得图像目标的轮廓信息,进而与内窥镜主光轴进行重合度判定,记录符合重合条件关键帧的图像目标长度信息与对应的位姿信息。最后,基于针孔相机成像模型,将目标成像比例关系与内窥镜沿主光轴的位移结合,建立了目标尺寸测量方法。实验结果表明：所提方法的测量误差控制在10%以内;对长度1～9 mm目标的平均测量误差为0.33 mm。能够满足单目内窥镜检查中对目标尺寸测量的稳定可靠、精度高、省时省力等需求。     

直流电源激励下的电路高分辨力应变信号处理

针对应变信号测量中存在的噪声与直流漂移问题,在研究应变信号漂移特性的基础上,提出了一种适用的直流漂移消除方法,即根据信号的局部极值点进行分段,而后对各段进行多项式拟合;对漂移消除后的信号采用一维双边滤波进行降噪处理,提出了双边滤波最优参数的选择方法,并以信噪比为指标对双边滤波的降噪性能进行了评估。利用实验检验了提出方法的有效性,实验数据为微创外科手术机器人力传感器的应变信号。实验结果表明,经改进的分段多项式拟合方法有效去除了直流漂移;双边滤波方法不仅适用于信号的动态滤波,也保证了良好的滤波效果;使用本文提出的应变信号处理方法后,力传感器的分辨力优于2 g。     

基于能量分析的欠驱动飞行吊运系统协同控制

旋翼无人飞行器具有灵活性强、机动性高的特点, 能够在复杂环境下运送由于地形限制地面机器人所无法 处理的物品. 然而, 当单个飞行器难以完成任务时, 需要多飞行器协同运作以提高系统的运送能力. 相比单飞行器 吊运系统而言, 多飞行器协同系统具有更高的自由度, 更为复杂的系统动态耦合; 这就为实际控制带来了巨大挑战. 在本文中, 作者提出了一种基于能量分析的控制方法. 首先构造储能函数, 在此基础上设计了控制输入, 可依据实 际需求选择控制增益, 确保控制量在约束范围内; 同时避免期望姿态的奇异性问题. 随后, 对闭环系统稳定性进行了 分析. 在与现有方法的仿真对比中可以看出, 该控制律具有良好的控制性能, 对不确定参数和外界干扰表现出了较 好的鲁棒性.     

机器人辅助腹腔镜手术中力感知技术的研究进展

为了推动机器人辅助腹腔镜手术中力感知技术的深入研究和临床应用,综述了其研究进展。针对有传感器的力感知,将其分为基于电信号和基于光信号两类,分析了传感器在手术器械上的位置分布、机械结构、测量范围、测量精度和电磁兼容性等关键指标,并讨论了其优势和局限;针对无传感器的力感知,将其分为基于视觉和基于动力学模型两类,并分析了其实现方法、技术障碍和误差来源。最后,展望了机器人辅助腹腔镜手术中力感知技术的发展趋势。     

倾听脑神经细胞声音的机器人——面向脑科学研究的机器人化膜片钳系统

首先,根据操作对象的升级和操作方式改进过程对机器人化膜片钳的发展历程进行综述。进而,聚焦当前人类脑科学研究亟需的、面向清醒非人灵长类动物脑科学研究的机器人化膜片钳系统,对该系统在操作环境显示、操作工具与目标定位、操作工具的运动控制、测量信号的处理和操作对象固定5个方面存在的挑战及其潜在解决方法分别进行讨论分析。最后,在...