基于STM32的脊柱手术钻孔辅助装置控制系统

针对椎弓根内固定手术中实施钻孔时操作强度大、风险高的问题,对已经设计完成的钻孔辅助装置机械系统进行了配套的电路及控制系统的设计。对椎弓根内固定术钻孔操作中存在的困难进行了分析,给出了钻孔辅助装置配套控制系统的设计方案;基于STM32微控制器设计了可以进行拖动状态、微调状态和锁紧状态快速切换的钻孔机械臂关节阻尼控制系统;设计了钻孔自动进给控制系统,以及钻孔操作配套的状态辅助显示系统;完成了试验样机的制作,并且进行了测试试验。研究结果表明:该装置设计合理,能够满足拟定的设计要求,为医生实施手术钻孔提供便利和判断依据,减轻医生钻孔实施过程中的劳动强度,并且能够帮助解决脊柱手术由于钻孔时可能存在的生理颤振给手术带来的风险问题。     

腱绳驱动机械手的设计及其柔性抓取控制

为了实现机械手稳定的自适应抓取目的,需要加强对抓取信息的感知处理,同时设计柔顺的力控抓取算法。针对不同尺寸、外形、材质的物体对抓取姿态和力度要求各异的问题,提出了一种腱绳驱动的柔性三指机械手方案及对应的柔性抓取力控算法(导纳力控算法)。首先,设计了一种腱绳驱动柔性机械手指,提出了一种往复式缠绕的腱绳传动线路,制作了柔性机械手的实物;其次,采用改进Denavit-Hartenberg(DH)法,建立了机械手指的运动学模型,利用MATLAB的机器人工具箱,分析了手指的自适应包络能力;然后,设计了适配机械手驱动的导纳控制算法,通过在实物上的程序实现和控制测试对机械手的柔性力控性能进行了验证;最后,搭建了柔性机械手的软件控制平台和实机实验平台,对不同目标物体进行了实物抓取实验,对柔性机械手的稳定抓取能力进行了验证。研究结果表明：该往复式缠绕传动线路和导纳力控算法可保证该机械手在面对不同尺寸、外形、材质的物体时,具有抓取形状的高自适应性和抓取力的高柔顺性;在抓取过程中,机械手的手指可以自适应地包络目标,并借助导纳控制算法柔顺地控制抓取力,进而完成稳定、可靠的抓取任务。     

基于线性二次型最优控制的机器人示教数据处理系统设计

针对机器人拖动示教过程中传感器采集的数据含有噪声的问题,提出了一种基于线性二次型最优控制的运动轨迹控制器。首先,针对机器人关节运动特性建立状态空间模型,并设计相应的性能指标;然后,采用线性二次型最优控制设计最优控制律和相应的控制系统;最后,以Franka Emika机器人为示教对象进行实验,将机器人自身传感器采集的数据作为最优控制系统的输入,将系统输出用于机器人的运动控制,完成机器人拖动示教。实验结果表明,线性二次型最优控制方法能有效抑制传感器采集数据的噪声,较好地将关节速度、加速度和急动度的幅值控制在合理范围内,使处理后的数据能更好地应用于机器人的拖动示教。     

机器人工具坐标系标定中的非线性问题求解方法研究

疫情形势下，为解决狭窄空间、复杂曲面、无接触、安全自动消杀作业需求，设计一种多传感器融合测量的基于双车拼接的可移动自动消杀机械控制系统。设计可快速拆分组装的双车拼接全向可移动平台车，解决狭窄空间的转运难题，同时采用激光导航传感器构建场景坐标系，精确定位设备位置，使设备运行过程中定位精度达到±5 mm以内。设计激光测距传感器、避障传感器、消杀装置多传感器融合测量的扫描消杀装置，并基于KUKA机器人传感器接口RSI设计修正算法，实现复杂曲面消杀过程中末端姿态在线调整及安全防护。最后，针对消杀过程中现场无人工干预需求，采用远程控制方式，建立远程终端-可移动平台控制系统-机器人控制系统的控制网络，操作者在远程终端下达杀菌指令，可移动自动消杀机械控制系统根据杀菌范围构建杀菌路径并智能化自主完成杀菌任务。进一步地，搭建立式壁面以及弧顶消杀场景，消杀过程中位置偏差±3 mm,角度偏差±1.5°,控制策略对实际对象拟合精度较高，增大了有效杀菌作用面积。     

基于ANSYS的桌面数控车床静刚度分析及结构优化

为了适应社会的需求,桌面数控车床逐渐进入人们的视野当中,由于其轻便、高效、低成本、占用资源少等特点,被人们广泛关注。但尺寸小带来的问题是刚性不好,从而导致加工精度较低。对自主设计的Ⅰ型桌面数控车床采用有限元法在考虑接合面刚度下进行建模以及静刚度仿真分析,分别得到了桌面车床在X、Y、Z方向上的变形数据,并根据仿真结果对其结构提出了一些优化建议,最后设计出质量轻、刚性好的Ⅱ型桌面数控车床,经数据结果对比,整体上质量减轻了5.1%,X、Y、Z方向上静刚度分别提高了19.47%、24.97%和12.12%,验证了所进行结构优化的合理性。     

移动机器人速度加速度饱和约束下的时间最优控制

针对机器人运动系统中普遍存在的速度和加速度约束, 提出一种满足以上约束的机器人运动时间最优控制方法. 首先, 通过最优条件构造哈密尔顿函数, 根据极小值原理求解时间最优控制; 其次, 通过相轨迹分析, 证明了满足约束的时间最优控制律的形式; 再次, 通过求解最优时间, 将满足约束的时间最优控制律转换成末端时间为最优时间的燃料最优控制律; 最后, 在RoboCup 小型足球机器人上进行对比实验, 验证了该方法在规划与实际上的一致性.     

基于最优化线性搜索的稳定步态规划方法

提出一种基于最优化线性搜索的方法规划人形机器人的步态.通过对脚踝关节末端轨迹运动的规划和参考零力矩点(ZMP:zero moment point)轨迹的规划,将最优化泛函极值问题转换成为基于非线性约束最优化的问题,将连续空间多变量规划问题转换成为离散空间二维变量规划问题,提出了一套能够在线规划步态的控制算法.该算法的收敛性和稳定性在仿真和实物上都得到了验证.     

基于KUKA工业机器人的遥操作控制系统设计与异构主从控制方法研究

为了适应特种环境作业的需求,本文提出了一套以KUKA工业机器人为从操作手的遥操作控制系统设计方法以及基于相对位姿尺度变换的遥操作控制方法。通过Eth.KRLXML软件接口与主控计算机建立TCP/IP连接进行通信,实时地反馈机器人的关节角度与末端位姿等信息,同时接收并执行主控计算机的控制命令。针对异构型主从遥操作控制系统,提出了一套基于相对位姿尺度变换的遥操作控制算法,将主操作手的运动信息经过相对坐标变换和尺度变换换算到KUKA机器人的末端,实现了对不同大小工作空间的精确异构遥操作控制。最终本文所设计的遥操作控制系统和异构型尺度变换遥操作控制方法的有效性在实物抓取释放实验中得到了验证。     

线驱动软体机器人工作空间与最大理论负载分析北大核心

针对软体机器人建模复杂,难以对机器人性能指标进行分析的问题,提出了基于SOFA仿真框架的软体机器人工作空间和最大理论负载的计算方法。首先,设计了线驱动连续型软体机器人,拉动线缆使线缆长度发生变化,迫使机器人本体产生形变,实现对物体的操作;然后,提出了线驱动软体机器人的Monte Carlo工作空间算法,得到工作空间内的离散点;其次,通过α-shape算法对离散点进行三维重构,并提出了以边界曲面的体积为指标确定了参数α的最优值,计算曲面体积得到了工作空间大小;最后,以拉伸量允许的范围内能否实现对不同质量物体的提升作为最大负载衡量标准,对软体机器人的最大理论负载进行了理论分析。实验结果表明,相较于传统刚体机器人,本文设计的线驱动软体机器人工作空间分布更加均匀;提出的算法能够准确快速地计算软体机器人的工作空间。