多用途欠驱动手爪的自主抓取研究

对欠驱动手爪自主抓取进行了研究,将其分为自主决策和抓取控制两个过程．首先分析了欠驱动手爪的特点、主要的抓取模式,并借鉴人的抓取经验,采用模糊输入方法,综合考虑抓取任务要求和物体本身的特征属性,利用模糊神经网络良好的分类特性选择合适的抓取模式．在此基础上,完成手指姿势调整,采用基于传感器反馈的控制策略,在被抓物体上形成的合适的力分布以获得稳定抓取,并通过抓取实例验证了抓取决策和控制的正确性,提高了欠驱动手爪抓取的自动化水平．     

基于领导跟随的欠驱动船舶编队跟踪控制

针对具有三自由度欠驱动水面船舶编队控制问题,提出一种基于领导跟随 ( Leader /Follower) 结构的欠驱动水面船舶队形跟踪控制方法。当系统接收到队形控制指令, 每个欠驱动水面船舶按照自己在编队中的角色进行控制,其中Leader 根据任务中的队形指令 完成航迹跟踪控制,而Followers 则依据Leader 的信息和航行中任务中的队形指令完成航迹跟 踪控制。在航迹跟踪控制中,根据期望队形任务指令为每个船舶设计需要跟踪的参考路径和 速度指令; 基于Lyapunov 理论和重定义输出方法设计非线性速度控制器和路径跟踪控制器跟 踪设计路径和速度指令; 稳定性分析证明了队形跟踪误差是一致最终稳定的。仿真结果表明 船舶可以跟踪任意期望曲线队形,从而验证了方法的有效性。     

挠性欠驱动航天器的姿态镇定方法

针对挠性欠驱动航天器的姿态系统的镇定问题,提出了一种基于自适应观测器的容错控制方法,使得航天器的角速度和姿态收敛到有界的区域．所考虑的挠性航天器几乎是轴对称的,其中小参数ε给出了航天器关于欠驱动轴的非对称性的度量程度．首先,利用齐次系统的思想简化系统的模型,消除部分难以处理的耦合项;其次,设计自适应观测器实现对挠性非线性项的未知信息进行估计,并给出观测值与真值的范数界限;进而设计容错控制器使得系统的输出对于耦合项的估计是输入状态稳定的．最后,仿真结果验证了所提方法的有效性．     

欠驱动多指机械手抓取能力分析与优化研究

给出两种模块化欠驱动手指的优化设计方法,分析了采用曲柄滑块以及四连杆机构可实现欠驱动,并减少驱动电动机数。采用D-H参数法建立手指运动学模型,并对模型采用正运动学求解。借助于ADAMS仿真软件对机械手建模并进行运动学仿真,研究并分析了欠驱动手爪在不同抓取模式下的运动特性及抓取能力,验证了欠驱动手爪抓取的多样性。最后,在精确建立运动学模型的前提下,以中心滑盘连接手指处所受应力最小为目标,对基指节内推杆的长度及摆动的角度进行参数优化,有效地增强了欠驱动手爪抓取的实用性和可靠性。     

一类欠驱动机械系统的非线性控制

针对一类欠驱动机械系统．分析了其数学模型,提出了一种基于部分反馈线性化的非线性控制方案．该方案利用精确线性化的方法将欠驱动系统直接激励部分线性化,将被动部分作为系统的内部动态考虑;并选择直接激励的自由度作为系统输出．进行系统的轨迹跟踪控制;通过分析系统的内部动态,证明了零动态的稳定性能保证控制系统的稳定性．最后通过对吊车的负载防摆控制的研究．验证了该方案的可行性．     

具有输入饱和的欠驱动船舶编队控制

研究了具有输入饱和且存在横荡运动的欠驱动船舶在水面上运动的编队控制问题.使用Leader-follower方法,将编队控制问题转化为镇定控制问题.给出了不同于Backstepping方法的编队控制器设计三步法,该方法有助于克服输入饱和的影响,并分析了闭环系统的稳定性.进一步,将跟随船控制输入中的微分、虚拟领航船的加速度、跟随船动力学模型的不确定性和外扰统一视为干扰,应用干扰观测器估计并在控制器中给予补偿.仿真结果表明了方法的有效性.     

欠驱动基准系统的约束控制

针对一种欠驱动基准系统,具有旋转激励的平移振荡器(translation oscillators with rotating actuator,TORA)系统,本文首次提出了一种具有约束的控制方法.该方法不仅可以保证闭环系统的稳定性,而且能够保证旋转小球在预设的范围内转动.相比已有控制方法,本文所提方法可以预设小球的转动范围以避免不理想的"循环"行为.具体而言,首先对系统的总机械能进行了详细分析;随后在其总机械能的基础上通过能量整形构造出一个新颖的能量函数;最后基于所构造的能量函数提出了一种具有约束的控制器,采用Lyapunov方法及La Salle不变性原理证明了相应闭环系统的稳定性.通过与已有方法进行仿真对比可知,本文方法在镇定控制与约束控制方面均表现出良好的控制性能.     

仿生假手抓握力控制策略

为了使仿生假手完成各种精细作业,提出一种抓握力控制策略.在自由空间和约束空间中分别使用基于位置的阻抗控制和力跟踪阻抗控制.在过渡过程中使用模糊观测器切换控制模式.两种控制模式采用同一个基于位置的阻抗控制器,在约束空间向阻抗控制器中引入参考力,以满足约束空间的抓握力控制要求.这种方法可以使关节在自由空间和约束空间中分别实现良好的轨迹跟踪和力矩跟踪,在过渡过程中实现控制模式的可靠切换和系统的稳定过渡.提出一种自适应滑模摩擦力补偿方法,利用终端滑模思想设计了滑模函数,使得系统跟踪误差在有限时间内收敛,避免了传统线性滑模面状态跟踪误差无法在有限时间内收敛至0的问题.根据指数形式摩擦力的特点,利用终端滑模控制思想获得包含摩擦力参数估计的滑模控制律,并基于李亚普诺夫稳定性定理推导了估计参数的在线自适应律.对该抓握力控制策略在HIT假手上进行了抓取实验,实验结果证明了控制策略的有效性.     

Prosthetic Hand Finger Control Using Fuzzy Sliding Modes

In order to improve the life quality of amputees, providing approximate manipulation ability of a human hand to that of a prosthetic hand is considered by many researchers. In this study, a biomechanical model of the index finger of the human hand is developed based on the human anatomy. Since the activation of finger bones are carried out by tendons, a tendon configuration of the index finger is introduced and used in the model to imitate the human hand characteristics and functionality. Then, fuzzy sliding mode control where the slope of the sliding surface is tuned by a fuzzy logic unit is proposed and applied to have the finger model to follow a certain trajectory. The trajectory of the finger model, which mimics the motion characteristics of the human hand, is pre-determined from the camera images of a real hand during closing and opening motion. Also, in order to check the robust behaviour of the controller, an unexpected joint friction is induced on the prosthetic finger on its way. Finally, the resultant prosthetic finger motion and the tendon forces produced are given and results are discussed.     

基于物理的虚拟手抓持力觉生成和反馈

提出了一种基于物理的虚拟手静力抓持虚拟物体力觉生成和反馈方法,借鉴机械手抓持原理,在建立基于物理的虚拟手静力抓持通用力学模型并对其进行可解性分析的基础上,针对通用力学模型的多解性,提出了虚拟手最小力螺旋模型以生成力觉,并根据抓持物体的不同,进行模型实例化,实时求得各虚拟手指上的力和(或)力矩,实验结果表明,借助于本文的力觉生成和反馈方法,利用CyberGrasp力觉反馈数据手套,用户可在抓持虚拟物体时感受到真实的接触力。     

新型多自由度假手的研制

介绍了一种新型多自由度假手的机械结构、运动方式及其静力学分析．假手的主要结构部件由光敏树 脂制成,使用小型直流伺服电机作为驱动器．手指采用欠驱动及腱驱动方式．该假手具有拟人的外观、较低的整体 重量和对被抓物体外形的适应能力．文章研究了假手的运动特点及接触力规律,通过仿真对假手的接触受力规律进 行了校验．最后通过实验,对假手的运动规律与抓握能力进行了验证．     

一种基于EEG和sEMG的假手控制策略

针对残臂较短或残臂上肌电信号测量点较少的残疾人使用多自由度假手的需求,提出一种基于脑电信号（Electroencephalogram,EEG）和表面肌电信号（Surface electromyogram signal,sEMG）协同处理的假手控制策略.该方法仅用1个肌电传感器和1个脑电传感器实现多自由度假手的控制.采用1个脑电传感器测量人体前额部位的EEG,从测量得到的EEG中提取出眨眼动作信息并将其用于假手动作的编码;采用1个肌电传感器测量手臂上的sEMG,并针对肌电信号存在个体差异和位置差异的问题,采用自适应方法实现手部动作强度的估计;采用振动触觉技术设计触觉编码用于将当前假手的控制指令反馈给佩戴者,从而实现EEG和sEMG对多自由度假手的协同控制.为验证该控制策略的有效性进行了实验研究,结果表明,提出的假手控制策略是有效的.     

多自由度仿生假手嵌入式控制系统及其抓取策略

为一种能够实现5 指独立动作以及具备人机交互能力的多自由度仿生假手设计了手部嵌入式控制系 统．该系统由传感器系统和运动控制系统构成,集成于假手机体内部,通过通信总线与上层控制器交换信息．传感 器系统包括3 种类型,共12 个传感器,可为假手自主抓取以及人机交互中的感觉反馈提供数据,运动控制系统用于 控制、驱动各手指动作．此外,本文以基于位置的阻抗控制为底层,以动作预构形为上层设计了分层控制策略．实 验表明,该嵌入式控制系统和分层控制策略使假手实现了自主抓取功能,提高了抓取的柔顺性、稳定性和适应性．     

欠驱动机械系统的三类级联规范型

基于欠驱动机械系统的动力学,分析了其驱动模式;为了便于欠驱动机械系统的控制设计,针对具有动能对称性的欠驱动机械系统,提出了一种闭环全局坐标变换方案.该方案将欠驱动机械系统的动力学转换成具有结构特征的级联规范型（即严格反馈、严格前馈和非三角级联非线性系统）,并分别给出了Pendubot、倒立摆系统和TORA （Translational Oscillator with Rotational Actuator） 系统的级联规范型.     

欠驱动AUV的直线航迹跟踪控制

研究了欠驱动自主水下航行器的水平面直线航迹跟踪控制问题。针对传统方法所设计的直线航迹跟踪控制力矩较为复杂的问题,提出了基于级联系统理论的控制力矩设计方法,并通过构造李亚普诺夫函数,推导出了具有全局渐近稳定的控制力矩。方法控制力矩设计简单并具有直观的理论稳定性分析,避免了传统控制方法所设计的控制力矩存在的复杂性问题。最后,仿真结果证明了控制器能保证闭环系统所有状态渐近稳定,达到了欠驱动AUV直线航迹跟踪控制目的,验证了所提出方法的有效性和可行性。     

基于倒转方法的欠驱动 Acrobot 系统稳定控制

针对欠驱动两杆体操机器人Acrobot, 提出一种新的稳定控制方法.首先,通过利用一个虚拟摩擦力矩为Acrobot 构造一条下摆轨迹;然后,运用倒转的思想为它设计出一条由垂直向下位置到垂直向上位置的期望运动轨迹, 并以此将系统的稳定控制问题转化为跟踪控制问题;最后, 基于最优控制理论来设计跟踪控制器,使Acrobot 能够沿期望轨迹渐近稳定在垂直向上位置处. 仿真结果验证了所提方法的有效性.