外肢体机器人研究现状及发展趋势

外肢体机器人是一种新型的可穿戴人体辅助设备,通过与人类肢体的对接融合、互助协作来提高人体活动、感知、操作等能力,在工业生产、医疗康复、助老助残及生活服务等领域都有着广阔的应用前景。分别针对当前国内外的外肢体机器人研究情况,对其本体结构、控制方法、应用领域等方面进行了综述。根据不同的本体结构与功能将外肢体机器人分为外肢体与外手指;根据结构柔顺特性将外肢体机器人分为刚性外肢体机器人与柔性外肢体机器人;归纳分析了外肢体机器人的控制方式,主要包括肢体映射控制、肌电信号控制与脑机接口控制;分析总结了外肢体机器人面临的技术挑战,并对外肢体机器人的技术发展趋势做出了展望。     

模块化可重构外肢体机器人

针对单人无法独立完成的操作任务,需要额外辅助的需求,提出并研制了一种模块化、可重构的外肢体机器人,该机器人由多个结构、功能相同的基本模块单元串联组成。为了实现模块化外肢体机器人的模块连接配置与变形重构能力,分析了基本模块单元的结构、功能需求,根据需求设计了基于舵机驱动的模块单元。每个模块单元由两个楔形子模块共轴相互转动构成,形成一个转动自由度。设计了基于磁铁吸附的机械连接机构,可以实现两个模块间的快速连接与分离;提出了双排金属触点间隔错位连接方法,保证两个模块单元间实现可靠的电气系统连接。划分了双模块串联条件下4种不同的连接方位,得出了外肢体机器人的构型配置种类与串联模块个数关系。面向具有任意模块个数、不同连接方位的外肢体机器人,建立了基于虚拟转轴的模块化外肢体机器人通用正向运动学模型。对基本模块的转动能力、承载能力、快速连接能力以及外肢体机器人在焊接过程中,辅助操作人员夹持导线、递送电话等能力进行了试验,验证了所提出的新型模块化外肢体机器人的辅助能力。     

基于“风车”形子单元的自重构机器人运动及自重构规划

自重构机器人区别于其他类型机器人的一个重要特征是其在具有移动能力的同时还具有自重构能力.为了赋予自重构机器人这2种能力,在分析DL-Cube(double L-cube)自重构机器人单元模型的结构特性基础之上,设计了基于"风车"形子单元的分层规划算法,实现了由"风车"形子单元构成的自重构机器人构形在平面内的运动;同时,借助于"风车"子单元自身具有的移动、转变模块方位、携带模块能力,机器人实现了平面内由24模块组成的"长方形"初始构形到目标构形为"H"构形的自重构.通过运动和重构仿真实验,验证了分层规划算法的有效性及利用"风车"子单元进行自重构的可行性.     

超冗余移动机械臂的逆运动学快速求解

为了快速并精确地求解一类冗余移动机械臂(MM)运动学的优化逆解,提出了一种基于遗传信
赖域算法和解析解法相结合的运动学求逆方法. 首先使用解析解法求出机械臂逆解关于移动
车运动参数的表达式,据此表达式引入关节最佳柔顺性准则确定信赖域算法的目标函数;然
后用遗传信赖域算法快速求解此只包含移动车运动参数为自变量的目标函数的最优化问题,
据此求出运动学逆解. 仿真算例表明,该方法能快速求出精确和优化的运动学逆解.     

被动无边轮辐运动特性的Adams仿真分析

对双足被动机器人最初模型——二维无边轮辐进行了研究,建立了其动力学模型,并通过Adams分析了其运动过程中的特点,逐一分析了轮辐初速度、质量、足半径、辐条数量、辐条长度、转动惯量以及斜面坡度对无边轮辐运动的影响.结果表明:合适的初速度和斜面坡度,以及较大的质量、较大的足半径、较多的辐条数量、较短的辐条长度、较大的转动惯量会使无边轮辐形成快速而平稳的周期运动.     

一个多感知虚拟现实系统的建立

建立了一个基于视觉、听觉和力觉融合的多感知虚拟现实系统。采用一种新型解耦双并联结构的6自由度主操作手实现人机交互并提供力觉感受;设计了基于OpenGL与OpenAL的软件引擎,在PC机上实现了高性能的立体视觉与听觉。通过一个虚拟乒乓球掂球实验验证了本系统的高性能与控制方法的有效性．     

下肢康复机器人的研究进展与临床应用

社会老龄化进程中,由于疾病或事故导致下肢受损的患者越来越多,患者的运动能力康复变得尤为重要.相对于传统的物理康复治疗方法,利用下肢康复机器人进行运功功能康复训练可以准确评估、大幅改善康复效果,提高康复效率,节约医疗康复资源.作为一种涉及康复医学、机械学、控制学、机器人学、计算机学及人工智能等诸多学科的智能仿生机电设备,下肢康复机器人按照患者的康复作业姿态主要分为坐卧式下肢康复机器人和站立式下肢康复机器人.其中坐卧式下肢康复机器人可以分为脚踏板式和外骨骼式机器人,站立式下肢康复机器人分为悬挂减重式和独立可穿戴式机器人.本文调研了国际上应用较为广泛的几类下肢康复机器人的代表性产品,详细分析了下肢康复机器人的主被动自由度、驱动方式、传动关节、感知技术、运动控制策略和训练模式等关键技术,并对各类机器人典型临床测试案例进行了比较和探讨,对下肢康复机器人未来的技术发展做出展望.     

基于嵌入式硬件的力觉接口设备隐式力控制系统

设计了一套以嵌入式微处理器LCP2294和专用运动控制芯片为核心的,力觉接口设备隐式力控制系统硬件平台,实现了扩展的嵌人式实时操作系统μC/OS-Ⅱ在该硬件平台上的移植,建立了面向力觉接口设备应用的多优先级多任务协调调度机制.最后通过时基正弦力轨迹的跟踪实验验证,与传统的基于PC的控制系统相比本控制系统具有更好的实时性,力觉交互的透明性也得到有效提升.     

6-DOF双并联力觉交互系统设计及实验验证

研制了一种新型双并联力觉接口,采用改进Delta并联机构与3-RRR球面并联机构具有运动学解耦特性,使该构型在保证运动空间的同时消除了运动奇异点.建立了力觉接口的控制系统,提出了带有速度前馈的PI自适应稳定交互算法,实现了对于理想力信号的快速跟踪及扰动抑制.通过跟踪长方体表面及虚拟销孔装配作业实验,验证了新型力觉接口及其力觉交互系统的性能.     

一种6-PRRS并联机器人的神经网络控制

针对6-PRRS并联机器人控制系统的非线性、耦合等特性,设计了神经网络控制器.此控制器采用分散控制策略,利用复合正交神经网络来消除并联机器人控制系统非线性、耦合的影响,学习系统的不确定信息作为前馈补偿使系统跟踪误差快速收敛,并采用PID作为反馈控制保证系统的稳定性,从而实现6-PRRS并联机器人的快速、稳定轨迹跟踪.该控制器以离散的形式进行设计,结构简单、易于工程实现.