基于Kimura振荡器和虚拟模型的气动肌肉四足机器人步态控制

步态控制是四足机器人适应复杂地形的关键,为此对机器人步态进行规划和控制,提出一种步态控制器。针对气动肌肉驱动的四足机器人,根据机器人Denavit-Hartenberg参数建立单腿运动学模型;采用Kimura振荡器设计四足机器人步态的中枢模式发生器（CPG）网络,并改进振荡器输出与关节角度之间的映射关系;采用摆线函数规划机器人足端轨迹,基于生物神经反射机理和虚拟模型控制（VMC）,以肢体摆动相位和足端触地信息为状态切换条件,建立沟壑地形自适应步态控制器;搭建Adams与MATLAB联合仿真平台和实物样机测试平台,对步态控制器进行验证。结果表明：改进的CPG步态网络可减小步态参数间的耦合,所生成信号的幅值和相位稳定;基于CPG和VMC的步态控制器能实现机器人对角步态运动,并能跨越宽度为机器人足端宽度的2.50倍沟壑。     

McKibben型气动肌肉模型改进与性能测试

提出一种改进的编织网气动肌肉静态模型,据此制备编织网气动肌肉。首先通过信赖域算法优化模型与实验的最小二乘误差,求解模型中的经验系数;然后分析初始编织角和橡胶管壁厚两个主要结构参数对编织网气动肌肉性能的影响;最后根据分析结果, 优化了结构参数,设计了端部结构,自制编织网气动肌肉。改进的静态模型仿真结果与实验结果一致,证明改进的静态模型提高了精度。对照实验表明,自制的编织网气动肌肉总体性能明显提高,进一步证明了改进静态模型对提高自制编织网气动肌肉工作性能的有效性。     

基于双生成函数的步行机器人最优步态生成

将最优控制理论中的双生成函数方法应用到双足步行机器人的在线最优步态生成中.针对线性化的机器人模型,分别以关节角度和力矩为状态和输入变量,考虑能量消耗,构造线性二次型最优控制问题.基于一对生成函数推导得到该问题的解,可以参数化为线下计算系数和边界条件,相对应的求解过程由线下数值积分部分和线上代数运算部分组成.通过设置多步仿真实例进行计算.结果表明,利用该方法可以显著地提高机器人步态的在线生成效率.设计比例微分控制器,当机器人以合理的步长和适当的时间段行走时,由线性化引起的建模误差可以被控制在较小范围之内,非线性模型的轨迹可以很好地跟踪线性化模型的轨迹.     

基于图像处理的风电叶片裂纹检测系统设计

针对风电叶片,设计了基于图像的裂纹检测系统。采用Harris-SUSAN算法提取叶片图像中的角点,利用SIFT算法确定角点的特征描述子;建立K-D树(K-Dimension Tree),并利用BBF算法(Best Bin First)寻找近邻点和次近邻点,基于欧式距离进行特征粗匹配。然后,采用随机抽样一致算法(RANSAC)进行特征精匹配,剔除错误点对,提高图像拼接质量;用图像的投影特征对横向、纵向和网状裂纹进行分类并计算裂纹参数;通过爬壁机器人搭载工业相机进行系统测试。实验表明,系统可实现裂纹图像拼接和裂纹参数计算。     

基于KP模型的气动肌肉迟滞建模方法

为了辨识气动肌肉运动过程中的迟滞非线性特性，在气动肌肉位移/气压迟滞特性实验的基础上，分别采用KP模型和多项式模型对其位移/气压迟滞展开了建模研究，并采用递推最小二乘法分别对两种模型中的未知参数进行了辨识，研究不同算子个数和多项式次数对模型建模精度的影响。参数辨识结果发现，KP模型拟合精度明显优于多项式模型，随着算子个数的增加，KP模型的精度显著提高，多项式模型的建模精度也随着多项式次数的增加而提高。     

有脊椎四足机器人递阶CPG步态规划与速度分析

针对动物脊椎协调运动分析以及不同速度下的步态参数分析困难等问题,为了更好的控制输入速度,产生相适应的步态模式,设计三层递阶式网络步态规范方法。分析trot步态下速度与角频率ω的关系;分析bound步态下速度与髋关节幅值A_h之间的关系;通过Webots仿真分别验证了trot和bound步态下各自速度与步态参数之间映射关系的合理性。通过误差分析,角频率误差在0.25 rad/s左右,髋关节幅值误差在0.02 rad左右;在bound步态下,通过加入脊椎,对比仿真分析得出,脊椎运动可加快机器人速度,同时改变肢体和脊椎幅值相比于只改变肢体幅值更合理。     

基于带约束S型速度曲线的机械手笛卡尔空间轨迹规划

针对机械手在笛卡尔空间中轨迹规划问题，设计基于S型速度曲线的空间直线和空间圆弧插补算法。增加路径长度约束，将S型速度规划分为七段式、六段式、五段式和四段式4种类型；建立基于四元数的直线与圆弧运动的位姿模型，并采用弧长增量法插补技术实现轨迹规划。在六自由度机械手实时控制平台上进行了实验验证。结果表明:该算法可实现在路径长度约束下速度和加速度的自动调整；该算法可保证机械手末端加速度连续，有效减少冲击。     

有并联脊柱的四足机器人步态规划

为了增加足式机器人的腿部运动范围和吸收地面冲击力,在刚性躯体四足机器人的基础上,设计3-RPS并联机构作为机器人的脊柱.建立有脊柱四足机器人的运动学模型,得到脊柱关节的周期性与质心位置的关系.在对角步态的基础上,利用脊柱偏航方向的自由度,规划了脊柱扭转对角步态.采用Hopf振荡器,建立耦合中枢模式发生器（CPG）网络输出步态曲线.通过与刚性躯干四足机器人的对比仿真和实验可知,主动脊柱的加入使机器人运行过程中的俯仰波动降低45.79%,矫正了偏航位置. 脊柱关节的周期性转动不会引起质心位置的突变.脊柱波动与肢体摆动间的协调,使得有脊柱四足机器人具有更优的运动性能.     

气动肌肉肘关节的滑模内环导纳控制设计

柔顺控制是共融机器人研究的重点。针对级联式气动肌肉肘关节动力学模型,建立了以滑模位置控制为内环、触力导纳控制为外环的控制结构;设计了带干扰观测器的滑模控制器（SMCDO）,证明SMCDO算法的收敛性;将环境等效为弹簧模型,设计了外环导纳控制器,并给出控制律。搭建实物测试平台,分别开展阈值力、力安全阈值测试以及碰撞测试,并分析了刚度系数对修正轨迹和接触力的影响。实验结果表明：关节柔顺性与刚度系数相关;SMCDO内环导纳控制精度优于无干扰观测器的滑模控制器内环导纳控制;所设计的控制算法稳定且有效。     

车床刀具温度测试系统的调理电路设计

高速数控车床切削过程中,刀具的温度变化是科学分析该刀具受热变形的重要依据,由此搭建了一个基于LabVIEW的温度测试系统。分析了刀具温度信号所存在的问题并为该温度测试系统设计了调理电路,通过Multisim仿真验证了所设计电路的正确性。在现场测试中可以看到温度信号经该调理电路调理后明显的抑制了信号中的高频噪声,提高了温度采集系统的总体性能和精度。对所设计电路采用Multisim软件进行仿真来验证其正确性,再将其应用到现场测试采集中。