基于辅助起立机器人的人体起立动力学建模与试验研究

设计了一种符合人体起立运动的辅助起立机器人,通过牛顿欧拉方程对人体起立过程动力学进行分析与建模,推导机器人辅助起立、上肢辅助起立和肌力不足下肢辅助起立3种情况下,人体力与力矩平衡方程,依据方程在Simulink中建立仿真模型,并使用传感器系统对起立机器人辅助人体起立过程中力与力矩进行测量分析.结果表明:不论采取何种辅助起立方法,辅助起立机器人都可有效辅助起立,特别是对起立初始阶段辅助效果尤为明显.上肢辅助起立时,既可保持身体平衡与稳定,又可补偿起立时所需力与力矩,在接近完全站立时这种效果尤为明显,仿真模型可预测站立过程的关节力与力矩.肌力不足下肢参与辅助起立时,所提供辅助力有限但也起到一定作用.      

Dynamics and adaptive control of a dual-arm space robot with closed-loop constraints and uncertain inertial parameters简

A dynamics-based adaptive control approach is proposed for a planar dual-arm space robot in the presence of closed-loop constraints and uncertain inertial parameters of the payload. The controller is capable of controlling the po- sition and attitude of both the satellite base and the payload grasped by the manipulator end effectors. The equations of motion in reduced-order form for the constrained system are derived by incorporating the constraint equations in terms of accelerations into Kane＇s equations of the unconstrained system. Model analysis shows that the resulting equations perfectly meet the requirement of adaptive controller design. Consequently, by using an indirect approach, an adaptive control scheme is proposed to accomplish position/attitude trajectory tracking control with the uncertain parameters be- ing estimated on-line. The actuator redundancy due to the closed-loop constraints is utilized to minimize a weighted norm of the joint torques. Global asymptotic stability is proven by using Lyapunov＇s method, and simulation results are also presented to demonstrate the effectiveness of the proposed approach.     

空间双臂机器人抓捕翻滚目标后的鲁棒稳定控制

针对空间双臂机器人抓捕翻滚目标的稳定控制问题,由于目标惯性参数的不确定性以及双臂同时作用于目标存在内力挤压,已有的稳定控制方法无法有效地约束机械臂末端与目标的接触力与力矩,无法保证控制过程中抓捕点处的接触安全.为此,本文考虑被抓捕目标惯性参数不确定性与双臂内力挤压对抓捕后阶段组合体稳定控制的影响,提出了一种保证接触安全...     

基于非线性级联系统的弹性关节空间机器人新型滑模控制

研究了双臂弹性关节空间机器人的改进型非线性干扰观测器(nonlinear disturbance observer,NDO)设计、新型自适应动态终端滑模控制和弹性振动抑制问题.首先,考虑空间机器人的关节弹性,基于非线性级联系统的结构建立弹性关节空间机器人模型,分为外环机械臂动力学和内环关节动力学,具有渐近稳定性.针对外...     

漂浮基柔性空间机器人的鲁棒控制及振动抑制

讨论了漂浮基柔性空间机器人系统的动力学建模、运动控制算法设计以及关节、臂双重柔性振动的分级主动抑制问题. 利用系统动量、动量矩守恒关系和拉格朗日-假设模态法对系统进行动力学分析,建立系统动力学方程. 基于奇异摄动法,将系统分解为表示系统刚性运动部分的慢变子系统, 表示由柔性臂引起的系统柔性运动部分的快变子系统1和表示由柔性关节引起的系统柔性运动部分的快变子系统2. 针对慢变子系统提出一种鲁棒控制方法来补偿系统参数的不确定性和柔性关节引起的转动误差,实现系统期望运动轨迹的渐近跟踪;针对快变子系统1采用线性二次型最优控制器来抑制由柔性臂引起的系统柔性振动;针对快变子系统2设计了基于机械臂和电机转子的转角速度差值的反馈控制器来抑制由柔性关节引起的系统柔性振动. 因此,系统的总控制律为以上3个子系统控制律的综合. 最后通过仿真实验证明了所提出的混合控制方法的有效性.      

多模态图像引导手术导航进展

手术导航综合运用器官分割建模与手术规划、位姿标定与跟踪定位、多模态图像配准与融合显示等技术,使医生精确定位病灶与手术工具的位置,透过组织表面对内部组织进行观测,可大幅提升手术的安全性,缩短手术时间并提高手术效率。常规手术通常使用超声、内窥镜或X光等单模态影像进行手术过程引导,信息单一且均为二维影像,空间立体信息缺失,手术过程严重依赖医生经验;而多模态图像引导的手术导航技术通过融合多模态图像的优势,在三维空间提供病灶的结构或功能信息,大幅提升医生对血管、神经以及重要组织结构的空间辨识力。由此,本文针对多模态图像分割建模、手术方案决策、手术空间位姿标定与跟踪、多模态图像配准、图像融合与显示等多模态图像引导手术导航的关键技术进行总结和分析,提出其进一步发展面临的挑战并展望其未来发展趋势。多模态图像引导手术导航技术已成为神经外科、颅颌面、骨科、经皮穿刺、血管介入等临床科室精准治疗的新兴手段,具有重要的应用前景。     

对广义达朗贝尔运动方程的一点补遗

对传统的广义达朗贝尔运动方程作了两点推广：１）考虑含有移动关节的情形;２）把方程的适用范围由单链系统推广至树形系统。     

一种改进 RRT* 结合四次样条的协调路径规划方法

针对空间机器人抓捕空间非合作目标的在轨服务任务,同时考虑机器人运动学约束和动力学约束,提出一种分层式的自由漂浮双臂空间机器人协调路径规划方法. 首先,在路径规划层面上基于 RRT* 算法分别规划双臂末端执行器在笛卡尔空间下的初始可行路径,为双臂设置独立的采样空间,保证路径规划过程中双臂系统不发生自身碰撞. 然后,在轨迹规划层面上利用四次样条曲线平滑 RRT* 算法生成的初始路径,设计满足样条曲线的一阶、二阶及三阶微分连续约束,同时考虑机械臂末端执行器的初末速度约束条件、初始加速度约束条件,得到适合于空间机器人执行的动力学可行的平滑 轨迹.最后,计算所规划路径的最大速度、最大加速度与机械臂末端执行器物理极限值的比值,取最小上限,即为最少路径规划时间. 所提路径规划方法能够设计出满足特定路径点约束的协调路径,且所设计的路径考虑了机械臂的物理限制条件,通过对自由漂浮双臂空间机器人进行仿真试验,验证了所提路径规划算法的有效性.      

基于惯性飞轮的独轮自平衡机器人侧向动力学分析

独轮机器人是一类重要的科学研究型机器人,基于旋转的惯性飞轮的独轮机器人可以实现独轮机器人的侧向平衡。本文单独推导了其侧向动力学方程,分析得出惯性飞轮对独轮机器人侧平衡的动力学影响,通过设计PD控制器和LQR控制器实现了对独轮机器人的侧向平衡控制,并进行了对比。仿真和物理实验均证实了：独轮机器人的滚转角变化量与飞轮的角加速度成正比;旋转飞轮产生的平衡力矩与飞轮的转动加速度方向相反;独轮机器人的滚转角变化量与飞轮的转动惯量正相关。     

柔性机械臂两点边值逆动力学方法——理论分析和实验结果

基于最优控制模拟思想提出了柔性机械臂的两点边值逆动力学方法．应用柔性机械臂的两种动力学模型可实现机械臂的点 点位置运动或轨迹追踪，同时显著降低或消除了结构柔性对其精确定位的影响．数值仿真和实验结果同理论分析完全一致