柔性关节-柔性臂空间机器人的神经网络自适应反演控制及双重柔性振动抑制

空间机器人系统的柔性主要体现在空间机器人的臂杆和连接各臂杆之间的铰关节。由于空间机器人系统结构的复杂性,以往研究人员对同时具有柔性关节和柔性臂的系统关注不够。为此探讨了参数未知柔性关节-柔性臂空间机器人系统的动力学模拟、轨迹跟踪控制算法设计和关节、臂杆双重柔性振动的主动抑制问题。首先,采用多体动力学建模方法并结合漂浮基空间机器人固有的线动量和角动量守恒动力学特性,推导了系统的动力学方程。以此为基础,考虑到空间机器人实际应用中各关节铰具有较强柔性的情况,引入一种关节柔性补偿控制器解决了传统奇异摄动法应用受关节柔性限制问题,导出了适用于控制系统算法设计的数学模型。然后,利用该模型,基于反演思想在慢时标子系统中设计神经网络自适应控制算法来补偿系统参数未知和柔性关节引起的转动误差,实现系统运动轨迹跟踪性能;针对快时标子系统,设计了鲁棒最优控制算法抑制因柔性关节及柔性臂引起的系统双重弹性振动,保证系统的稳定性。最后,通过仿真对比实验验证了所设计控制算法的有效性。     

基于干扰观测器的柔性关节空间机器人退步自适应控制

研究了载体位置、姿态均不受控的情况下,系统参数不确定的柔性关节空间机器人轨迹跟踪的控制问题.结合系统动量、动量矩守恒关系,利用拉格朗日法推导出系统的动力学模型.为减小系统柔性关节对系统控制精度的影响,采用关节柔性补偿器来等效降低系统关节的柔性.再借助奇异摄动法,针对系统参数不确定的情况,设计了柔性关节空间机器人基于干扰观测器的退步自适应滑模控制方案.该方案不需要对系统惯性参数进行线性化处理,控制器结构简单,且实现了空间机器人期望轨迹的精确跟踪控制.通过平面两杆空间机器人的数值仿真证明了该方法的有效性.     

OPTIMAL DISTAL SCREW ALIGNMENT IN THE GAMMA NAIL

The effect of stress distribution due to the changes of the distal screw alignment in relation to the Gamma nail and the femoral shaft is thoroughly studied in this paper. Failure of the Gamma nail composite occurs through the cranial aperture of the distal screws and the insertion hole for the lag screw due to nonunion, delayed-union and continued weight-bearing. A three-dimensional finite element model was used to study the fractured femur, the Gamma nail, the lag screw and the distal locking screws. The first and the second distal screws were inserted into the Gamma nail in four different configurations. We found that the stress of the Gamma nail composite was substantially reduced with the two screws configured in the anterior to posterior direction. This alignment can bear greater loading in the more demanding fracture types. In the subtrochanteric fracture or the comminuted fractures at the proximal femur, the optimal alignment of the two distal screws was in the anterior to posterior direction.     

胶原对生物组织的增强作用

胶原纤维对生物组织起一种拉伸增强作用．它们的功能可用三种组织的性质来说明：腱、关节软骨和椎间盘．腱在人体的关节周围将肌肉与骨连接在一起．关节软骨覆盖在大部分关节骨的端部表面，椎间盘则连接着脊椎骨使得它成为一种柔性结构．增强度β由组织中胶原的体积分量所定义和确定．增强效应系数η，则依赖于纤维的取向．在键中纤维是波形的．腱的变形的第一步主要是拉直波形纤维以增加η值．其结果是，当应变在低应变值时，应力会迅速增加．当波形纤维被拉直时，η＝１．关节软骨足以支持着外加的压缩是因为它本身具有高的内部膨胀压力．胶原纤维能增强组织则是因为它们的取向使得它们的应变适于这种压力．椎间盘大致是柱状的，它们由内核区和包围内核的环状结构组成．这些环状结构由胶原层组成，每一层内的胶原纤维是平行的，但都与脊椎轴倾斜成一定角度．扭转和弯曲牵伸一些纤维，这种纤维增强了椎间盘．由于不是所有的纤维被牵伸，故所施的压力并不是均匀分布的．于是，扭转和弯曲是潜在的损伤力．椎间盘的压缩使所有的纤维受力．外部压缩会损伤脊椎的骨头而无损于环状结构．     

全弹性平面运动机器人的高精度运动控制和振动抑制算法研究

为实现对基座、关节和臂均存在弹性的空间机器人运动高精度控制及多重振动抑制,建立了基座、关节和臂全弹性空间机器人动力学模型,并采用运动有限维PD重复学习控制及振动同步抑制方案进行研究.首先,利用线性弹簧、扭转弹簧和欧拉-伯努力梁理论,假设模态法和动量守恒定律,采用拉格朗日方程建立了弹性基座、柔性关节和柔性臂空间机器人动力...     

空间机器人双臂捕获卫星力学分析及镇定控制

随着航天技术的发展,空间机器人要求具有对非合作卫星的在轨捕获能力. 双臂空间机器人与单臂空间机器人相比在这方面显然更具有优势. 然而由于太空环境的复杂性,使得空间机器人双臂捕获非合作卫星操作过程的动力学与控制问题表现出下述特点:非完整动力学约束,动量、动量矩与能量传递变化,捕获前后结构开、闭环变拓扑,与闭环接触几何、运动学约束多者共存. 因此空间机器人双臂捕获卫星技术相关动力学与控制问题变得极其复杂. 为此,讨论了双臂空间机器人捕获自旋卫星过程的动力学演化模拟,以及捕获操作后其不稳定闭链混合体系统的镇定控制问题. 首先,利用拉格朗日第二类方程建立了捕获操作前双臂空间机器人的开环系统动力学模型,利用牛顿-欧拉法建立了目标卫星的系统动力学模型;在此基础上基于动量守恒定律、力的传递规律,经过积分与简化处理分析、求解了双臂空间机器人捕获目标卫星后受到的碰撞冲击效应,给出了合适的捕获操作策略. 根据闭链系统的闭环约束几何及运动学关系获得了闭合链约束方程,推导了捕获操作后闭链混合体系统的动力学方程. 最后基于该动力学方程针对捕获操作结束后失稳的闭链混合体系统,设计了镇定运动模糊H_∞ 控制方案. 提出的方案利用模糊逻辑环节克服参数不确定影响,由H_∞ 鲁棒控制项消除逼近误差来保证系统控制精度;通过最小权值范数法分配各臂关节力矩,以保证两臂协同操作. 李雅普诺夫稳定性理论证明了系统的全局稳定性. 最后通过数值仿真实验模拟、分析了碰撞冲击响应,并验证了上述镇定运动控制方案的有效性.      

A new method for computing the uniaxial modulus of articular cartilages using modified inhomogeneous triphasic model

It is well known that subtle changes in structure and tissue composition of articular cartilage can lead to its degeneration. The present paper puts forward a modified layered inhomogeneous triphasic model with four parameters based on the inhomogeneous triphasic model proposed by Narmoneva et al. Incorporating a piecewise fitting optimization criterion, the new model was used to obtain the uniaxial modulus Ha, and predict swelling pattern for the articular cartilage based on ultrasound-measured swelling strain data. The results show that the new method can be used to provide more accurate estimation on the uniaxial modulus than the inhomogeneous triphasic model with three parameters and the homogeneous mode, and predict effectively the swell- ing strains of highly nonuniform distribution of degenerated articular cartilages. This study can provide supplementary information for exploring mechanical and material properties of the cartilage, and thus be helpful for the diagnosis of osteoarthritis-related diseases.     

早期骨性关节炎的光学成像检测技术(英文)

介绍了光学相干层析成像技术、扩散光学层析成像技术和光声层析成像技术3种早期骨性关节炎光学成像检测技术.和X线平片常规影像诊断技术相比,光学相干层析成像技术可测量软骨的厚度,检测胶原结构的微小变化;扩散光学层析成像技术能测量软骨、滑液等结构的厚度和相应的吸收系数和散射系数;光声层析成像技术可探测胶原纤维网的恶化、变浑浊的滑液、骨的代谢功能障碍和软骨下骨的代谢过旺.最后对这3种成像检测技术的应用前景及早期骨性关节炎检测方法作了简要展望.     

基于多点动态捕捉的机器人关节位移与几何参数标定

机器人关节位移及几何参数误差是导致位姿出现误差的主要原因,对二者进行高精度标定可提高机器人的绝对精度．传统标定方法的精度受机器人位姿的影响,且需多次实验．本文提出一种基于多点动态捕捉测量的标定方法,可通过单次实验,同时标定串联机器人的关节位移和几何参数．首先基于多点动捕测量获取机器人各连杆上靶标点的3D坐标,结合罗德里格斯变换实现关节位移的求解．其次结合机器人运动学模型和坐标转换关系,实现几何参数误差小量的标定．对方程线性化处理以提高计算效率,并用最小二乘法降低噪声对结果的影响．最后通过对6自由度串联机器人进行仿真,验证了该标定方法的可行性．     

A passive-biped model with multiple routes to chaos

This paper presents a new passive-biped model consisting of a simplest walking model beneath an upper body, with no kinematic constraint. The upper body is attached to the legs with a linear torsional spring. The model is a passive dynamic walker, so it walks down a slope without energy input. The governing equations of motion are derived and simulated for the parameter analysis purposes. Simulation results reveal some different routes to chaos that have not been observed in previous models.