基于导纳控制的社交机器人伴随与避障控制策略

目前社交机器人与目标人体并排行走（人体伴随与避障）时的运动控制策略的研究相对缺乏。为提升陪伴任务中用户的舒适度、机器人的运动柔顺度及其安全避障能力,本文提出了一种基于导纳控制的人体伴随与避障控制策略。首先,基于人机交互空间理论设计了交互力模型以构建人机动态交互关系,避免机器人侵犯目标人的亲密区域以提升目标人的舒适度;其次,将导纳控制模型与交互力模型结合,通过设置合理的导纳参数提升机器人运动控制的柔顺度;最后,引入行为动力学模型模拟人类的避障行为,以保障人体伴随任务的安全性。此外,提出了一组评价指标以验证伴随控制器的性能。根据仿真实验结果,在柔顺度方面,相较于PID法和虚拟弹簧模型（VSM）法,本方法下速度变化量分别降低69.6%和67.1%;在舒适度方面,机器人未给目标人带来不适;在安全性方面,本方法的避障失败率仅为10%,优于人工势场（APF）法和VSM法的40%和50%。实物实验中,机器人的柔顺度和舒适度指标均较好,避障失败率仅为5%,有效实现了安全友好的人体伴随与避障控制。     

虚拟装配中基于导纳控制的力觉渲染技术

传统的力触觉渲染多采用阻抗控制,不能很好地满足虚拟装配的应用要求,相比之下导纳控制模式更适用这一领域.为此提出一种基于导纳控制的双线程力觉渲染构架,并给出相应的力觉渲染算法.首先建立用于导纳控制的动力学模型,并讨论了碰撞和约束这2个状态下的力觉渲染;为了使用力觉交互接口进行虚拟装配中的小间隙装配,提出物理约束与几何约束结合的力觉渲染方法;最后针对物理计算和力反馈循环2个线程刷新频率不匹配的问题,利用二次拉格朗日多项式进行数值插值,实现了力觉交互接口的平稳输出.通过力反馈设备与自主开发的虚拟装配原型系统VAPP的连接与应用,验证了所提出的算法满足虚拟装配系统中力觉交互的应用要求.     

基于模糊模型参考学习控制的手术机器人人机交互

为了解决机器人辅助手术环境下人机交互运动过程中的不稳定性问题以及医生个人因素难以建模的问题,提出了一种基于模糊模型参考学习的变导纳人机合作控制方法.首先将人体手臂自然运动的特征作为模糊学习控制的参考模型,通过离线学习机构训练出模糊导纳控制器的变阻尼系数调整参数规则.再以医生对机器人的拖拽力以及机器人速度作为输入、机器人期望的速度作为输出,构建基于变阻尼参数调整的变导纳控制方法.离线训练实验结果表明,该方法经过10次离线训练,可以达到柔顺性要求,人机合作速度最大误差低于17 mm/s,且人机合作轨迹最大误差低于15 mm.相比单纯基于固定导纳参数的模糊控制,该方法具有更好的跟踪速度与精度.     

具有主动约束的医疗机器人系统的主从控制

在分析了穿刺手术机器人系统功能需求的基础上,搭建了主从遥操作系统的半实物仿真平台。在主从控制的基础上,提出一个利用虚拟夹具VF(Virtual Fixture)算法结合Proxy的方法的主动约束控制策略。实验结果表明,系统能够在给定运动约束的情况下完成相应的主从控制。     

机器人辅助腹腔介入治疗的空间运动约束及控制策略

描述了机器人辅助腹腔介入治疗中的手术规划模型和虚拟夹具（VF）方法,研究了引导型和障碍型两 类虚拟夹具的空间运动约束生成方法以及基于导纳控制的综合控制策略．通过建立引力势场和参考方向实现了对控 制对象的引导,通过建立斥力势场实现了空间避障（如腹腔内血管及肋骨）,从而为手术器械的运动及定位提供了 有效的辅助作用．VF 的刚度系数可以调节空间运动约束的苛刻程度．单个VF 和腹腔3 维空间中多个VF 的仿真实 验验证了空间运动约束和控制算法的有效性．本文的方法适用于类似的遥操作和人机协作系统．     

基于虚拟力的群机器人队形控制

提出了一种基于虚拟力的群机器人队形形成原理,提出了一种使用拟合法构建虚拟力模型的方法及其应用。实验结果表明该方法可以快速、有效地完成队形分布,并指出了今后的研究方向。     

带扩展卡尔曼滤波的柔性关节机器人虚拟分解控制

针对柔性关节机器人在非完全状态反馈条件下的轨迹跟踪控制问题,本文提出一种基于虚拟分解控制(virtual decomposition control,VDC)理论和扩展卡尔曼滤波(extended Kalman filtering,EKF)观测的控制方法.首先,考虑模型参数的不确定性和外界扰动因素,分别设计刚性连杆子系统和柔性关节子系统的虚拟分解控制律.然后,为突破现有VDC方法依赖于全状态反馈测量的局限,设计一种基于EKF的间接状态观测器,实现了仅需电机侧位置和速度测量而不需连杆侧任何状态信息测量的闭环控制.此外,结合虚拟稳定和李雅普诺夫稳定理论给出了严格的系统稳定性证明.最后,实例对比仿真验证了所提出控制算法的有效性,且相比于基于传统拉格朗日整体动力学的典型算法,具有更优的轨迹跟踪性能.     

基于计算力矩的微创手术机器人控制

针对微创手术机器人通常采用的独立PD控制或基于重力补偿的PD控制,都必须预先设定好相应的PD常数,不能随刀具所受有效外载荷而进行自适应调节,从而影响了机器人的定位精度的问题.提出了一种基于计算力矩的控制模型,在拉格朗日动力学模型基础上引进控制量使机器人系统线性化,并且将静力学分析结果作为反馈信号,完成外载荷作用下的轨迹...     

弹性关节机器人的控制

本文综述了近年来国外关于弹性关节机器人控制的研究成果,重点介绍了基于奇异摄动模型的组合控制和反馈线性化控制以及自适应控制和学习控制等方法.最后讨论了弹性关节机器人运动方程的能控性、状态观测和弹性参数估计等问题.     

磁悬浮伺服的机器人装配夹具及其智能控制

首先,设计了一种新型磁悬浮伺服的机器人装配夹具．描述了其结构和静力分析; 绘制了机器人装配系统示意图．其次,分析了磁悬浮伺服夹具的智能控制．描述了其静态平 衡控制;选择了合理的间隙传感器、电磁铁、功率驱动电路、A/D和D/A转换电路作为控制电 路的硬件;采用基于CMAC的神经网络控制作为主动柔顺智能控制方式．然后,根据神经网络 控制算法应用VC++语言和MATLAB软件混合编程．给出了在VC++中实现DLL编程和通过VC++调 用MATLAB的方法．     

基于绳索牵引的航天员机能训练机器人虚拟重力控制

为了解决在微重力条件下长期生活的航天员的运动机能下降、肌肉萎缩和肌力衰退等问题,提出了一 种基于绳索牵引的柔性Stewart 式航天员机能训练机器人机构模型．在对机器人系统进行力学分析的基础上,提出 了一种基于单绳索力闭环的准闭环虚拟重力控制策略,并在实验样机上进行了虚拟重力控制模拟实验．研究结果表 明,该控制策略是可行的,可以在人体运动过程中实现虚拟重力加载控制．该研究为在微重力环境下通过机器人实 现虚拟重力加载控制奠定了理论基础．     

基于卷积神经网络的手术机器人控制系统设计

针对传统系统控制精准度低的问题,提出了基于卷积神经网络的手术机器人控制系统设计。根据基于卷积神经网络的手术机器人控制原理,设计控制系统总体结构,选用PCI插槽上直接内插CAN适配卡作为上位机核心组件,采用C++编写的Lib库和DLL库为驱动程序提供适配卡。通过下位机三个节点,处理相关信号,并进行量程转换和越限判断,确保机器人不会失控。选用80C592微控制器设计关节驱动节点结构,以高速工作方式向控制器提供向总线的差动发送和接受能力,避免外界干扰。设计基于视觉的持镜臂,为手术过程提供上下、左右、前后的运动的手术视野。分别采用FN3002力传感器和MPS-M拉线式位移传感器获取相关传感数据,采用卷积神经网络深度学习方法,设计持镜臂运动控制步骤,采用VC++6.0工具,控制软件程序,避免抖动或者误操作主手现象的出现。由实验结果可知,该系统持镜臂轨迹规划与期望轨迹一致,简化了控制系统的复杂性。     

机器人夹具的设计与改进

本文介绍2009 ABU robocon比赛机器人夹具的设计与改进过程。     

上肢康复外骨骼机器人的模糊滑模导纳控制

为了辅助上肢运动功能障碍患者进行不同模式的康复训练,基于上肢康复外骨骼机器人系统,提出了一种模糊滑模导纳控制策略,实现训练过程的人机协调控制.首先,介绍了康复外骨骼的整体结构和实时控制平台.然后,分析了模糊滑模导纳控制算法的推导过程,并根据李亚普诺夫稳定性判据证明系统的稳定性.最后,在不同系统导纳参数条件下,分别进行被动训练模式和主动训练模式实验,并对比分析了实验过程中运动偏差、人机交互力以及肱二头肌表面肌电信号的变化特点.实验结果表明,选择合适的目标导纳模型可以优化康复训练强度与难度,提高人机交互柔顺性与患者参与度,满足不同瘫痪程度和康复进度患者的训练需求.     

眼科手术器械操作黏弹性组织的导纳控制方法

基于广义Maxwell黏弹性模型建立手术器械与眼组织之间的黏弹性接触模型,并通过力松弛实验对接触模型的参数进行辨识.进而在此基础上提出一种导纳控制方法,通过控制手术器械的位移实现对接触力的控制.该方法将传统的导纳控制器替换为比例-积分(PI)控制器,从而将黏弹性接触模型中的理想微分环节替换为1阶微分环节.替换后,在低频段,尤其是频率趋近于0时的幅频响应可得到提升并保持稳定,从而避免幅频响应过低导致的接触力衰减.通过对离体猪眼球进行力控制实验验证了该控制方法的有效性.实验结果表明,阶跃力平均误差约为4.6％,响应时间约为2.5 s,无明显超调,并可实现一定频率的正弦力输出.阶跃力输出精度可以满足机器人辅助眼科手术的要求.     

基于导纳控制的膝关节外骨骼摆动控制研究

针对膝关节外骨骼机械腿运动过程中对操作者的运动跟随问题,提出了一种基于导纳原理的等效惯量补偿控制方法.设计导纳控制器将外骨骼与操作者间的交互力矩转化为期望的运动轨迹;通过低通滤波加速度与惯量增益的乘积形成的闭环反馈实现等效惯量补偿;结合腿部肌肉表面肌电信号进行人体摆腿运动换向的预判,实施膝关节外骨骼机械腿的摆动控制,实验结果表明,膝关节外骨骼与受试者之间的关节角度相对误差为±12%,膝关节外骨骼机械腿对受试者的摆腿运动能实现较好的运动跟随.     

虚拟机器人软件的应用

虚拟机器人软件是近年来开始出现的一种优秀的机器人教育平台。本文对虚拟机器人软件进行了阐述，介绍了几款目前较为流行的虚拟机器人软件，并对虚拟机器人软件对于开展机器人教育活动的意义及其优劣特性进行了分析。     

虚拟手术力反馈装置反馈力内模控制

时滞和虚拟环境模型参数的变异性影响到虚拟手术力反馈系统的性能。在分析系统模型的基础上设计内模控制器,控制器直接置于系统前馈通道而无需增加闭环,控制更加易于实现,实验结果验证了该算法的有效性。