基于关节转角估计器的绳驱动手术微器械位置全闭环控制

手术机器人微器械末端空间狭小,无法安装角度检测传感器,不能进行位置全闭环控制．针对这个问题,提出了一种基于关节转角估计器的闭环控制方法．首先设计了4自由度微器械驱动方案,搭建了手术机器人微器械单关节原理样机实验系统,并基于绳驱动系统的动力学分析设计了关节转角估计器．利用动力学参数辨识的方法给出了关节转角估计器的参数,并通过实验数据分析给出了转角估计器的简化和修正模型．实验结果说明关节转角估计器的输出精度可以达到0.38°．最后以转角估计器的输出值作为反馈信号对微器械关节转角进行了闭环控制实验．结果表明,当系统自由运动时微器械关节转角的最大跟随误差为0.734°;当微器械末端加载1.5N的外力时,关节转角估计器的精度是0.59°,最大跟随误差是1.112°．这些说明本文提出的关节转角闭环控制方法具有比较高的控制精度．     

考虑迟滞及变形影响的主被动混合驱动绳驱空间机械臂运动学建模及求解

在绳驱空间机械臂的非结构化环境灵巧作业中,驱动绳索拉伸和臂段形变给机械臂的精确控制带来了困难。为此,本文提出一种改进运动学模型。首先,建立机械臂“驱动绳索长度－关节角度－末端位姿”的多重映射运动学模型;进一步考虑绳索迟滞、运动方向切换和臂段变形3种因素耦合影响,改进“驱动绳索长度－关节角”的映射模型。其次,设计试验平台,开展不同负载下的绳索迟滞量测定试验。最后,对比改进运动学模型仿真结果和绳驱空间机械臂样机试验数据。与理想几何模型的比较结果表明,长1110 mm的两段绳驱空间机械臂的末端绝对位置误差可减小15.2 mm;末端绝对位置误差减小61.4%,证明了改进运动学模型的有效性。     

工业机器人负载动力学参数辨识方法

为了解决负载变化导致的机器人控制性能降低的问题,本文在分析负载动力学参数对各关节力矩的影响的基础上,提出了一种仅驱动机器人的第3、4、5、6轴运行激励轨迹的辨识方法．首先,基于最小惯性参数集线性化工业机器人动力学模型;其次,在分析负载参数对各关节力矩的影响的基础上,选取相应的运动关节轴,设计适用于负载辨识的有限项傅里叶级数的优化激励轨迹;然后,在空载和带3种不用负载情况下运行激励轨迹,采集关节角度和关节力矩数据,并将数据通过低通滤波器处理;最后,基于动力学线性模型使用加权最小二乘法辨识负载动力学参数．机器人运行验证轨迹,通过计算负载力矩计算值和测量值的差的均方根（RMS）来评价负载辨识结果．同时将该方法与CAD（computer aided design）方法对比,结果显示前者最多可以将后者RMS值降为原来的16%,且该方法对不同负载辨识结果稳定有效．该方法避免了驱动所有关节轴运动的方式,减小了机器人耦合带来的误差,同时缩短了激励轨迹参数优化时间,有效提高负载动力学参数的辨识效率和效果．     

基于人机偏差模型的自对齐髋关节外骨骼解耦设计与计算

针对辅助外骨骼,分析了单自由度人机交互中的人机偏差因素,建立人机偏差变量模型,运用自对齐机构设计理论设计外骨骼机构,以提升人机耦合性能.首先,深入分析了单自由度人体生物关节,建立了人体简化模型+人机偏差变量模型的外骨骼设计模型参考.然后,运用自对齐机构设计理论和多自由度关节解耦方法,提出了自对齐人体运动的外骨骼机构设计思路与方法.最后,以下肢髋关节为对象,将髋关节外骨骼解耦为3个单自由度关节,设计了髋关节助力外骨骼的运动形式,并进行了人机耦合下的外骨骼动态静力驱动计算.结果显示,该运动设计使人机偏差交互力变得可控,从理论上证明了髋关节外骨骼机构能够跟随下肢运动并提供自适应人体的驱动助力.     

无人机转偏角测量优化仿真研究

为了保证无人机飞行过程中的安全可靠性,需对无人机转角偏移量进行测量.传统的测量方法为了简化计算过程,保证同步性,忽略了无人机飞行中的转角方向偏移误差,以遗传算法进行迭代计算,由于子代不断继承父代的包含误差的基因,导致测量过程存在较大缺陷,提出一种基于改进遗传算法的无人机转角偏移测量方法,分析了无人机转角偏移测量原理,给出遗传算法的一般模型,在此基础上,引入随机方向法,给出选择空间,确定基点,对产生的个体数以及产生的个体进行记录统计,产生一个随机向量,通过判断比较各自的适应值,获取优良的个体,从而有效实现无人机转角偏移量的测量.仿真结果表明,所提方法在增强无人机转角偏移量测量精度及可靠性方面具有很高的优越性.     

蹲起时助力外骨骼驱动及人机耦合作用驱动补偿

针对由于关节驱动特性不明而造成助力外骨骼蹲起不顺畅的问题,为增强人机交互性及助力外骨骼蹲起可靠性,对蹲起时助力外骨骼的关节驱动及人机耦合作用下的关节驱动补偿进行了研究.通过人体数据采集实验及非线性数据拟合,得到各关节运动学方程.建立了蹲起时的人机耦合动力学模型,研究了关节驱动特征,发现膝关节的驱动特征及其波动性远大于踝关节和髋关节;膝关节驱动力矩与角加速度耦合性强;只在蹲起前半段,系统重心迁移对膝关节驱动有较大影响.根据关节驱动特征的研究结果,膝关节采用双作用线性液压缸进行驱动,与此同时人机耦合作用力可以补偿踝关节部分驱动力矩及髋关节全部驱动力矩.     

正弦驱动与传感反馈结合的双足机器人仿生行走控制

提出了一种正弦驱动与传感反馈结合的双足机器人仿生行走控制方法．所有关节由正弦振荡器驱动, 较之相互耦合的神经元振荡器更加简单;控制参数具有明晰的物理意义,便于对运动模式进行调节．传感反馈表征 了机器人的运动状态,对于保证机器人的稳定行走起着至关重要的作用．将机器人碰地、碰膝等关键运动状态作为 相位反馈,对控制力矩进行相位重置,协调各关节动作,进而实现控制器、机器人、环境的耦合．同时,从节省能量 和仿生的角度,考虑了关节运动的被动特性,确定了各关节力矩的作用区间．仿真结果表明,该控制方法能实现机 器人稳定行走,并具有良好的能效性和自稳定性.     

六维力/力矩传感器静态解耦算法的研究与应用

维间耦合是影响多维力/力矩传感器测量精度的一个主要因素。介绍了六维力/力矩传感器维间耦合的基本原理,在研究基于求解矩阵广义逆的静态解耦算法的基础上,提出了基于耦合误差建模的静态解耦算法。以实验室研制的六维力/力矩传感器为例进行标定实验,用两种解耦算法对其进行解耦计算。实验结果证明基于耦合误差建模的静态解耦算法的有效性。     

一种Z轴微机械陀螺的自解耦方法研究

在分析了微机械陀螺机械耦合误差产生原因的基础上,提出了一种解耦梁方案,可以从结构上消除振动式微机械陀螺敏感模态对驱动模态的耦合影响;基于该解耦梁方案设计了一种新型的Z轴微机械陀螺结构.分析表明,该陀螺结构消除了敏感模态对驱动模态的耦合影响,实现了解耦设计的目的.     

一种基于空间连杆机构的蛇形机器人

提出了一种基于空间连杆机构的蛇形机器人模型．该蛇形机器人各骨节间通过万向铰链连接,每节安装两个微型伺服电机,电机带动曲柄转动,曲柄经两端为球铰的连杆驱动另一骨节运动．通过两个电机的耦合驱动,该蛇形机器人能实现蜿蜒爬行、转向、抬头等多种运动方式．文中给出了该空间连杆机构的运动学解,基于Serpenoid曲线计算得到了实际控制所需的关节转角和步数,并编程实现了上述运动方式．     

钢丝绳传动机器人运动学的支路分析方法

通过研究分析一类[N+1]条钢丝绳驱动[N]个自由度机器人的运动学,其运动学可通过推导移去钢丝绳后开环链机器人关节空间与笛卡尔空间之间的运动学关系和关节空间与驱动空间之间的运动学关系来完成。在基本回路、共轴条件和传动线运动学分析的基础上,提出了用支路矩阵和等效半径矩阵描述钢丝绳传动机器人运动学的支路分析方法。根据钢丝绳传动原理,通过观察法可直接列写支路矩阵和驱动空间等效半径矩阵,从而得到了驱动空间与关节空间之间的运动学映射关系,解耦了由于钢丝绳传动导致机器人关节间的运动耦合。结合传统机器人运动学,实现了驱动空间、关节空间和笛卡尔空间完整运动学映射关系,加快和简化了钢丝绳传动机器人运动学建模和分析过程。以Stanford/JPL手指为例进行了运动学分析和仿真,验证了用支路矩阵和等效半径矩阵描述钢丝绳传动机器人运动学支路分析方法的正确性,为钢丝绳传动机构的设计、运动学分析与控制奠定了基础。     

线驱动模块化七自由度机器人轨迹跟踪控制

阐述了一种线驱动与常规串联驱动相结合的混合设计方法．这种设计方法融合了线驱动并联机构和模块化串联机构的优点,而且混合驱动机器人的工作空间大于完全线驱动机器人的工作空间．文章首先介绍了混合驱动机器人的机构设计,也就是机器人的肩关节采用模块化串联结构,而肘、腕关节采用线驱动结构．然后利用几何分析的方法来解机器人前向运动学问题．在分析驱动线长与关节角之间变换关系的基础上,分别利用速度法和关节角增量法来计算机器人逆向运动学解．最后,使用VC++实现混合驱动机器人对直线运动轨迹进行跟踪的仿真,从而证明了文章所描述的设计方法的正确性．     

Design and Realization of a Non-Circular Cable Spool to Synthesize a Nonlinear Rotational Spring

In this paper we present a cable mechanism that realizes a nonlinear rotational spring from a linear translational spring. The spring is pulled by a cable wound around a non-circular spool, which is rigidly attached to the joint. The non-circular shape of the spool induces a nonlinear relationship between its angular position and the torque created by the tension of the cable. Depending on the shape of the spool, various torque–angle relationships can be realized. We show that for a given nonlinear torque–angle relationship, there is an explicit expression (closed-form solution) of the shape of the spool that synthesizes this function. First, we present the geometry of the problem. Then, we derive the methodology to calculate the shape of the spool to synthesize a prescribed torque–angle relationship. Finally, we verify the design methodology by experiments with three different spools realizing a constant force spring, an exponential softening spring and a cubic polynomial spring. We discuss the possible sources of errors between the theoretical and experimental results.     

新型大量程X-Y-θ三自由度栅式电容位移传感器设计

提出实现大量程X-Y-θ三自由度位移测量的栅式电容位移传感器设计并分析其测量特性。考虑偏航角误差影响,建立典型直线型栅式电容位移传感器偏航角误差模型,分析偏航角误差对线性位移测量精度的影响。并依此提出X-Y-θ三自由度位移测量新方法,通过和差化积解耦算法分离偏航角误差对X-Y线性位移测量的影响,同时输出偏航角位移量。实验结果表明,所设计的传感器偏航角位移θ为0.2°,0.4°,0.8°和2.0°时,X-Y线性位移信号的非线性度维持在0.24%~0.62%之间,拟合输出偏航角位移信号的最大误差量不超过0.01°。三自由度位移量解耦效果明显,测量稳定性得到显著改善。     

基于干扰观测器的机械臂广义模型预测轨迹跟踪控制

为实现对多自由度机械臂关节运动精确轨迹跟踪,提出一种基于非线性干扰观测器的广义模型预测轨迹跟踪控制方法。针对机械臂轨迹跟踪运动学子系统,采用广义预测控制（Generalized Predictive Control,GPC）方法设计期望的虚拟关节角速度。对于机械臂轨迹跟踪动力学子系统,考虑机械臂的参数不确定性和未知外界扰动,利用GPC方法设计关节力矩控制输入,基于非线性干扰观测器方法实时估计和补偿系统模型中的不确定性。在李雅普诺夫稳定性理论框架下证明了机械臂关节角位置和角速度的跟踪误差最终收敛于零的小邻域。数值仿真验证了所提出控制方法的有效性和优越性。     

COM motion estimation of a biped robot based on kinodynamics and torque equilibrium

A novel technique to estimate motion of the center of mass (COM) for a biped robot is proposed. A Kalman filter is synthesized where the time evolution of COM is predicted from the external force and corrected based on kinematic estimation and torque equilibrium. They complementarily work to compensate the initial estimation offset, the error accumulation, and errors in modeled mass properties. It makes use of the authors’ previous method to estimate the translational and rotational motion of the base body from inertial information and joint angle measurements. The information about torque equilibrium helps to reduce an uncertainty of the height of COM and to improve the estimation accuracy of it by utilizing an interference of the horizontal and vertical motion of COM. The parameters are tuned based on error analyses in mass properties and sensor signals. A comparative study showed a better performance of the proposed method than other methods through dynamics simulations.     

Final-state control of a two-link cat robot

In this study, we deal with the twisting motion of a falling cat robot by means of two torque inputs around her waist. The cat robot consists of two rigid columns and has two internal actuators at the joint to generate torque inputs around normal coordinates. This system is a nonholonomic system whose angular momentum is conserved. We formulate the state equation that has torque inputs to the joint by using the nonholonomic constraint and the Lagrange-d'Alembert principle. Then, we transform the system into a linear parameter varying system. In order to improve error learning of a final-state control method, we provide the initial inputs in order to determine the appropriate rotation direction in the early stage of the twisting motion. Next, we introduce the method of the artificial potential function to the final-state control in order to make the maximum bending angle small. The feedforward torque inputs can be obtained by the final-state control in order to bring the system from the initial state to the final state in the desired time. In simulations, we also demonstrate that the twolink cat robot can land on her feet by using the 2-d.o.f. control system even when her waist damping coefficient varies.     

基于加速度计的手指运动姿态检测

针对动态测量手指关节角度的需要,设计了一种基于MEMS加速度计的手指运动姿态检测方法。在该方法中,通过固定于手指上的三轴加速度计ADXL330的各个敏感轴感受到的重力加速度分量的大小来检测手指的关节角度。为了验证该方法的可行性,设计了一步进电机控制的能在竖直平面内转动的装置,通过同步检测传感器的输出和电机转动的角度,评估传感器在动态条件下的测量精度,结果表明:在动态条件下,其绝对误差为1°～2.5°,相对误差为3%～6%。在此基础上,将传感器用于测量手指关节的运动姿态,采集手指敲击键盘时传感器的输出,通过数据处理获得食指MCP关节、PIP关节和DIP关节随时间的变化关系。实验结果表明:加速度计可以有效地检测手指的运动姿态。     

偏瘫患者辅助下肢外骨骼设计与仿真分析

针对偏瘫患者外骨骼康复机器人降低外骨骼质量的要求,设计了一种辅助下肢外骨骼机器人,采用柔索驱动的膝关节,具有结构简单,质量轻的特点。同时利用ADAMS建立了外骨骼关节柔索驱动的动力学模型,绳索模块建立了柔索驱动模型,通过Ariel生物运动分析软件,采集髋、膝、踝关节运动数据,运用Spline函数进行了仿真分析。经过仿真分析柔索驱动在上台阶运动过程中的不同拉簧预紧力和拉簧刚度下传动特性和驱动力矩,为进一步研究设计下肢外骨骼提供依据。