面向任务的机器人灵巧手控制系统及多指空间协调阻抗控制

为提高多指灵巧手的控制和操作性能,提出了基于集中控制-分层处理的DLR/HIT Ⅱ机器人灵巧手实时控制系统结构,并建立了基于Simulink/QNX的实时控制平台和嵌入式驱动控制层,极大地简化了高集成度机电一体化灵巧手的控制器设计过程,并实现灵巧手在多自由度仿机器人上的无缝连接,进行了多指灵巧手空间协调阻抗控制的研究,基于手指指尖位置建立了适用于任意手指数目n的机器人灵巧手物体空间坐标系,并基于六维空间虚拟弹簧的阻抗思想和关节力矩反馈实现了以被抓取物体位置和姿态为控制目标的多指灵巧手空间协调阻抗控制.在基于Simulink/QNX的实时控制平台上对DLR/HIT Ⅱ灵巧手进行了空间协调阻抗控制实验,实验结果表明了灵巧手控制软硬件系统和控制策略的有效性和稳定性.在未降低灵巧手自由度的前提下,将DLR/HIT Ⅱ多指灵巧手协调抓取操作的控制输入量由30个减为6个,为提高抓取规划算法效率提供了稳定高效的新型控制策略.     

基于灵巧手触觉信息的未知物体类人探索策略

为增强机器人对环境的适应性,基于对人类进行未知物体触觉探索时行为的观察和分析,提出一种适用于机器人灵巧手自主进行未知物体触觉探索的策略。机器人触觉探索过程被划分为顶面探索和侧面探索两个阶段。在顶面探索阶段,根据所得到的触觉信息对物体的基本尺寸和姿态进行估计,并用包围盒近似物体;而在侧面探索阶段,依据分类判别不等式将物体按基本尺寸进行分类,对不同类别的物体设计不同的侧面探索策略,从而指导灵巧手对未知物体的信息进行采集。最后,在仿人机器人平台上完成了对未知物体的触觉探索实验。实验结果表明,应用所提出探索策略,机器人可以仅依靠触觉自主的探索未知物体并获取物体信息。     

虚拟现实灵巧手姿态力度控制算法与仿真

针对灵巧手虚拟现实的控制,提出了数据手套控制手指关节角度,肌电信号进行抓取力度控制的方法.建立了虚拟现实灵巧手模型,根据神经网络算法实现前臂肌电信号对抓取过程中的拇指尖力预测.实验改变拇指接触状态,预测力模型与实际力度对比,验证模型的有效性.该研究可用于智能假肢控制及上肢康复训练、遥操作机器人等领域.     

力觉临场感遥操作机器人(1):技术发展与现状

人机交互式机器人作为最具实用价值的特种机器人已成为当前机器人学研究的前沿和热点.临场感(Telepresence)技术是人机交互的核心.首先,回顾了力觉临场感遥操作机器人技术的产生、发展和现状,介绍了力觉临场感遥操作机器人在核领域、空间探测领域与远程医疗领域的应用情况;其次,对力觉临场感遥操作机器人的4大关键技术:传感技术、力反馈与触觉再现技术、大时延控制技术和虚拟预测环境建模技术等进行了综述;还介绍了东南大学仪器科学与工程学院机器人传感与控制研究所近20年来开展临场感遥操作机器人技术研究,以及在核探测、康复医疗领域应用的情况.通过回顾与分析,指出了力觉临场感遥操作机器人技术今后需要研究的几个重点问题.     

基于临场感的遥操作机器人共享控制研究综述

共享控制策略作为基于临场感的遥操作机器人的主要控制模式,能够充分利用操作者的感知、判断和决策能力,也能发挥出机器人自身的优势. 阐述遥操作机器人临场感技术;综述遥操作共享控制策略的发展现状,主要基于触觉反馈引导、运动学限制规避以及共享因子分配等,对各控制策略的原理进行介绍,并梳理和分析遥操作共享控制策略发展中的瓶颈和不足,如共享因素的单一化或僵硬化、时延问题和机器人自主判断能力有限等问题. 针对研究存在的局限性,从3个方面对未来的发展提出展望,分别为提升干预水平、加强机器人意图预测、结合机器学习, 具有一定的指导意义.     

HIT/DLR HandⅡ类人形五指灵巧手机构的研究

为了使灵巧手的外观和结构功能更加类人化,研制了新一代类人形机器人五指灵巧手--HIT/DLR Hand Ⅱ.该灵巧手由一个独立的手掌和5个完全相同的具有4个关节3个自由度的模块化手指构成.机电集成的设计思想保证了所有驱动器,传动系统和电路系统都集成在手指和手掌的内部.钢丝耦合机构的采用,保证了手指末端关节在整个运动范围内都能够保证精确定1:1传动比.包装件同结构功能件融合的设计思想不但进一步缩减的灵巧手的外形尺寸,而且使灵巧手外形更加类人化.所有的创新型设计使灵巧手的手指外形尺寸仅是上一代手指的1/3.此外,为了提高灵巧手的多感知能力,重新设计的力/力拒传感器,位置传感器及温度传感器通巧妙的集成在手指的内部.试验表明,所设计的灵巧手不但达到了设计目标,也表现出了很强的抓握能力.     

智能肌电控制假手研究进展

智能肌电假手研究作为康复医疗领域中的重要研究内容,始终是国内外研究的热点.随着机器人技术的进步,假手正往仿人型、灵巧性、直觉控制、智能感知方向发展.智能肌电假手应当具有与人手相近的功能,其不仅能通过运动功能重建辅助残疾人进行日常生活,而且还应通过感知反馈功能重建让残疾人产生人机共融的本体感.本文通过对国内外多年的肌电假手研究成果进行分析比较,从质量、灵巧程度、抓取性能、设计原理等多角度分析了假手的机械结构设计要素;另外,本文还较系统地对基于肌电信号的手势识别研究现状进行概述,介绍了目前基于残肢生物信号识别的多种研究思路,并分析了多种基于不同原理的假手信息感知技术,介绍了利用指尖力触觉传感器实现对假手的自适应控制和用户的感知反馈.最后总结了未来假手的研究发展过程中面临的问题与挑战,提出了肌电假手的未来研究方向.     

基于指尖位置的人手与HIT/DLR灵巧手运动映射

分别建立人手和HIT/DLR机器人灵巧手的几何模型,并分析两者之间的结构差异及其产生的运动映射问题.通过数据手套测得人手关节角度,利用人手模型和人手运动学关系计算得到人手指尖位置,通过改进的指尖位置的映射方法,将人手的运动映射到机器人灵巧手上,解决了人手运动空间和灵巧手空间不一致的问题.仿真试验结果表明该映射方法是有效和直观的,能满足对HIT/DLR机器人灵巧手遥操作的需要.     

电子皮肤触觉传感器研究进展与发展趋势

从介绍人类皮肤的触觉感知性能出发,全面综述了国际上多学科领域模拟人类皮肤的电子皮肤触觉传感器研究进展与关键技术;分析讨论了电子皮肤触觉传感器的工作原理、新型材料和结构、先进设计制作方法、触觉传感特性和性能指标等方面内容;重点总结了国内外近年来在电子皮肤阵列触觉传感器柔性化、弹性化、空间分辨率、灵敏度、快速响应、透明化、轻量化和多功能化等方面的研究进展.指出了电子皮肤触觉传感器的研究依然存在着难以兼顾高柔性和高弹性、高灵敏度电子皮肤设计制作工艺复杂,可扩展性差和成本高等技术难题.电子皮肤触觉传感器可广泛应用于机器人、医疗健康、航空航天、军事、智能制造和汽车安全等领域,正朝着高柔弹性、宽量程的高灵敏度、多功能、自愈合与自清洁、自供电与透明化等方向发展.     

遥操作工程机器人改进力反馈控制方法

针对力觉临场感遥操作工程机器人双向液压伺服控制系统,在采用p-f型控制结构时,容易产生反馈力冲击问题,提出了基于T-S型模糊推理逻辑构造一个非线性模糊变增益力反馈系数,构成改进的力反馈控制方法。设计了RBF-PID型参数可调控制器,形成双向液压伺服控制系统,通过实验验证了改进方法的有效性。实验结果表明,改进的力反馈控制方法既能保证从手对主手的位置跟随精度,又能使主手连续的跟随从手受力情况,减小了反馈力冲击现象,增加了力反馈的平顺性。提高了力反馈遥操作工程机器人系统的操作性能和透明度。     

四自由度冗余手指的结构参数优化设计

由冗余自由度手指构成的多指灵巧手具有较大的灵巧性,对物体进行微细操作以及抓取特殊形状物体的能力也比非冗余自由度手指构成的多指手要强。对冗余自由度手指的结构设计问题进行了研究,引进了优化设计方法,提出了适用于多指灵巧手的手指结构优化设计的优化目标函数,编制卫优化程序,进行了优化计算,得到了比较满意的结果。最后,用该手指具体设计了一种多指灵巧手,并给出了其三维视图。该录巧手有手掌,具有３个手指,１２个     

Design and control of integrated pneumatic dexterous robot finger

Based on flexible pneumatic actuator(FPA),bending joint and side-sway joint,a new kind of pneumatic dexterous robot finger was developed.The finger is equipped with one five-component force sensor and four contactless magnetic rotary encoders.Mechanical parts and FPAs are integrated,which reduces the overall size of the finger.Driven by FPA directly,the joint output torque is more accurate and the friction and vibration can be effectively reduced.An improved adaptive genetic algorithm(IAGA) was adopted to s...     

模块化嵌入式五指机器人灵巧手手指控制系统

为开发高度集成的五指机器人灵巧手,提出了采用DSP(Digital Signal Processor)+FPGA(Field Programmable Gate Array)控制结构的模块化嵌入式手指控制系统设计方法。实现了采用单电流传感器检测全桥控制下相电流及相电流过流双保护。为解决手指DSP和FPGA之间如何稳定、高效通信的难题,结合先进先出FIFO(First In First Out)寄存器,设计了基于串行通信接口SCI(Serial Communications Interface)和RS485总线的多中断差分通信系统。实验证明,这种DSP+FPGA控制结构及模块化的设计,使得手指控制部分得以高度集成,同时DLR/HITII灵巧手获得很好的整体性能和稳定性。     

Mechanical Design and Drive Control of a Novel Dexterous Hand for On-Orbit Servicing

In order to meet the requirements of on-orbit servicing outside the cabin, a flexible, dexterous hand with easy grasping ability and strong loading capacity is designed. The dexterous hand is comprised of three fingers. Each finger is driven by a set of four linkages. Furthermore, two fingers have a set of axial rotational degrees of freedom. In order to achieve the position control and keep griping stability, the dexterous hand adopts a mechanism of hybrid force/position control. In the end, experimental results demonstrates that the on-orbit servicing dexterous hand has great adaptability and operational capability.     

电刺激皮肤假手力感反馈信息规律研究

佩戴具有力感的假手使残肢者获得类似真手的机械功能和感觉功能——能感知假手的握力。这是假手发展的更高级阶段. 作者进行了用金属接触电极发出的电脉冲刺激皮肤的感觉试验研究,以探索人体感觉与电脉冲刺激信号的某些规律.本文总结了作者的部分研究成果,阐述下述三个问题: 1)皮肤敏感、适宜的电刺激脉冲的波形、幅值及频率等参数; 2)不产生“感觉适应现象”的间歇刺激脉冲; 3)代表假手握力的电刺激脉冲模式. 上述研究,是开发智能假手的基础研究,为研制具有力感的假手的握力电刺激反馈信号发生器提供设计依据.     

Design and control of integrated pneumatic dexterous robot finger

Based on flexible pneumatic actuator (FPA), bending joint and side-sway joint, a new kind of pneumatic dexterous robot finger was developed. The finger is equipped with one five-component force sensor and four contactless magnetic rotary encoders. Mechanical parts and FPAs are integrated, which reduces the overall size of the finger. Driven by FPA directly, the joint output torque is more accurate and the friction and vibration can be effectively reduced. An improved adaptive genetic algorithm (IAGA) was adopted to solve the inverse kinematics problem of the redundant finger. The statics of the finger was analyzed and the relation between fingertip force and joint torque was built. Finally, the finger force/position control principle was introduced. Tracking experiments of fingertip force/position were carried out. The experimental results show that the fingertip position tracking error is within ±1 mm and the fingertip force tracking error is within ±0.4 N. It is also concluded from the theoretical and experimental results that the finger can be controlled and it has a good application prospect.     

可满足微创手术灵活工作空间的混联机器人研究

针对微创手术对机器人提出的高灵活性要求,设计出一种具有混联结构的微创外科手术机器人,并通过灵活工作空间分析进行结构优化。为合理布置手术切口及规划手术路径,利用末端手术工具服务球和服务区进行工作空间灵活性分析,通过数值解得到混联机器人工作空间内任意点的灵活度,并绘制出工作空间水平截面灵活性分布图,为手术切口位置和工具杆末端运动路径提供工作数据;再以工作空间水平截面灵活度大于0.85的灵活点数目作为评价指标,定量分析了姿态机构腕关节转角范围及手术工具杆长度对灵活性的影响,为微创外科混联机器人的结构优化提供了计算依据。仿真对比和优化后的实物实际运动结果均证明了该混联机器人可满足微创手术的灵活性要求。