基于双目视觉的双臂协作教学机器人研究与设计

为弥补智能制造、机器人工程等新专业实验装置短缺、学生创新实践能力亟待提升等问题,本文设计了一种基于双目视觉的双臂协作教学机器人.双臂机械部分设计呈对称结构,底座大而稳定,可以降低制造成本及协作抓取难度;研究设计的示教动作还原算法和重投影误差最小化算法,可以提升机器人末端位姿数据采集精度,使双臂协作抓取更准确稳定.该系统不仅能够通过上位机拖动控制双臂运动完成示教编程及动作组实验,而且还能够进行基于视觉引导的图像处理及单臂抓取实验、运动分析实验、在线编程与协调抓取开放实验.该系统成本低、功能丰富、综合性强,且兼具拖动示教与开放性特点,有助于提升学生创新实践能力,非常适合在智能制造、机器人工程等专业实验教学过程中推广应用.     

教学机器人综合实验平台设计与研发

为了提升机器人工程专业学生综合实践能力,本文设计了一款集机、电、控、图像处理于一体的教学机器人实验平台,将机器人机械结构设计、运动学分析、运动控制、图像处理等技术有机融合,不仅提供了机器人关节装配及实物图演示实验,易于学生理论联系实际深入掌握机器人机械结构及工作原理,而且基于开放的控制实验平台,能够完成机器人的运动学分析、驱动控制、轨迹规划、图像处理及基于视觉引导的物体识别与抓取等实验.该实验平台具有很强的综合性和可操作性,激发了学生的学习兴趣,使学生工程实践与创新能力得到有效提升.     

力觉临场感遥操作机器人（4）：系统的操作性能评价

力觉临场感遥操作机器人系统是一种典型的人-机-环交互系统,临场感是遥操作的核心.如何评价力觉临场感遥操作机器人系统的操作性能即临场感程度,目前大多采用基于人机工效学的主观评价分析方法.通过建立力觉临场感遥操作机器人系统的二端口网络模型,对操作者在遥操作过程的感知和控制行为进行了分析,给出了虚拟阻抗的定义,以此为基础提出了可定量评价系统操作性能即力觉临场感程度的阻抗比较法.利用阻抗比较方法对现有的4种不同反馈控制结构遥操作机器人的操作性能作了分析与评价.     

智能肌电控制假手研究进展

智能肌电假手研究作为康复医疗领域中的重要研究内容,始终是国内外研究的热点.随着机器人技术的进步,假手正往仿人型、灵巧性、直觉控制、智能感知方向发展.智能肌电假手应当具有与人手相近的功能,其不仅能通过运动功能重建辅助残疾人进行日常生活,而且还应通过感知反馈功能重建让残疾人产生人机共融的本体感.本文通过对国内外多年的肌电假手研究成果进行分析比较,从质量、灵巧程度、抓取性能、设计原理等多角度分析了假手的机械结构设计要素;另外,本文还较系统地对基于肌电信号的手势识别研究现状进行概述,介绍了目前基于残肢生物信号识别的多种研究思路,并分析了多种基于不同原理的假手信息感知技术,介绍了利用指尖力触觉传感器实现对假手的自适应控制和用户的感知反馈.最后总结了未来假手的研究发展过程中面临的问题与挑战,提出了肌电假手的未来研究方向.     

基于ROS的遥控水下机器人监控系统研制

为了降低水下机器人开发复杂度,增加机器人的适应性和开放性,基于ROS （机器人操作系统）研制了遥控水下机器人监控系统.首先简单介绍了遥控水下机器人监控系统的硬件结构,提出了基于ROS的遥控水下机器人监控系统软件框架,介绍了感知执行层、导航控制层和监视操作层的组成及作用,描述了运动控制节点、人机交互节点、姿态控制节点3个功能模块的设计方法.实验表明,基于ROS开发的水下机器人监控系统能很好地协调感知模块、运动控制模块和人机交互模块等各个节点的工作,具有开发周期短、扩展性较好等特点.     

基于数据驱动高阶学习律的轮式移动机器人轨迹跟踪控制

轮式机器人执行巡逻、播种和工业生产等任务是一个强非线性的间歇过程.针对重复运行的轮式机器人轨迹跟踪问题,本文提出了一种基于数据驱动的高阶迭代学习控制算法.首先,对轮式移动机器人的模型进行推导设计,并对推导得到的状态空间形式的离散时间模型利用基于状态转移的迭代动态线性化方法,将轮式机器人系统转化为线性输入输出数据模型;其次,设计高阶迭代优化目标函数得到控制律,并利用参数更新律估计线性输入输出数据模型中的未知参数.控制器的设计和分析只使用系统的输入输出数据,不包含任何显式的模型信息.通过采用高阶学习控制方法,在控制律中利用更多之前迭代的控制输入信息,提高了控制性能.最后,仿真结果验证了该方法在轮式机器人轨迹跟踪控制中的有效性.     

基于嘴唇色度Fisher分类的驾驶疲劳视觉检测

为提高驾驶疲劳检测的准确率和可靠性,利用唇色和肤色的色度分布差异,挑选3个典型颜色特征构建Fisher分类器用于提取唇色区域.采用区域连通算法对二值唇色区域进行滤波处理,运用改进积分投影算法确定嘴唇边界,根据嘴巴开合度及打呵欠频率判断驾驶员是否疲劳.实验结果表明:基于3个颜色特征构建的Fisher分类器在唇色提取效果上明显优于单一颜色特征的提取效果;改进的积分投影算法能提高嘴唇边界定位的精度和速度;基于打呵欠频率的驾驶疲劳检测方法具有更优的检测准确率和可靠性.融合多个典型颜色特征可改善唇色提取的鲁棒性和可靠性,有助于驾驶疲劳检测效果的提高.     

视觉驱动机械臂自主作业技术综述

视觉驱动机械臂自主作业技术在工业生产、航空航天以及深海探测等诸多领域都具有重要的意义.在回顾多年视觉驱动机械臂自主作业技术的基础上,从基于几何驱动的控制和基于数据驱动的控制两个方向进行归纳总结.对不同的控制方法,介绍了控制的原理,总结了每一类自主作业控制的研究成果,并对每种控制方法的特点以及存在的问题进行分析.针对视觉驱动机械臂自主作业在关键领域中的研究,本文重点分析讨论了海洋开发与探测领域中存在的关键问题与挑战.     

基于Denauit-Hartenbery的高分辨Kirkpatrick-Baez镜成像结构设计与控制方法研究

针对在高能等离子体X射线诊断中的Kirkpatrick-Baez （KB）高分辨显微控制较困难的问题,基于Denauit-Hartenbery （DH）原理,率先提出了双5自由度KB镜成像结构,分析了双机械手的各个连杆坐标系和位姿结构的运动学方程,从理论上分析双5自由度KB镜的像差.在此基础上搭建双5自由度KB镜光路系统,编制了KB镜控制流程,并获取了清晰的十字成像.实验结果表明,该方法设计的双5自由度机械手控制方法可以实现KB镜的精确控制,从而得到高精度分辨成像效果.     

基于RBF的冗余机械手运动学逆解

针对冗余机械手运动学中存在的非线性、强耦合以及时变性的特点,采用了一种基于径向基函数(Radial Basic Function,RBF)网络的非线性拟合和系统辨识的方法,利用RBF神经网络的逼近能力较优、收敛速度快、非线性处理能力强等特点,可以有效地对冗余机械手的运动学逆问题进行求解;同时,运用遗传算法选取RBF网络的中心,提高网络的性能及效率;用Matlab实现对6自由度机械手运动学的建模、仿真.网络求解的结果表明了该方法的有效性.     

基于STM32自动网球拾取机器人设计

针对网球场捡球工作量大的问题,开发了一款基于STM32的智能自动小型移动网球拾取机器人,规避了现存网球机器人结构庞大、灵活性差、效率低的问题.通过构建机器人三维模型,设计了一款造价低廉、高精密的小型移动网球拾取机器人.采用质心法获取目标物坐标信息,在机器视觉模块与双机械臂机构协同下,采取多行走舵机与万向轮协同实现机器人自动寻找目标、完成拾取、归集网球等动作.实验结果表明机器人能很好地完成以上功作,且拾取速度快,精确度达到98％.     

基于Kinect的机器人辅助上肢被动康复训练控制方法

现有基于Kinect构建的康复训练系统,大多以患者自行开展主动康复训练为主,未能充分利用康复医师的临床经验且很少用于机器人辅助康复训练系统,具有一定的局限.针对此问题,提出一种基于Kinect的机器人辅助上肢被动康复训练方法.首先,开展基于Kinect的上肢骨骼点跟踪与逆运动学计算;其次,基于Linux/QT及Kinect设计三维虚拟康复训练环境;再次,在康复医师示教训练任务并通过Kinect获取示教任务参考轨迹基础上,根据训练过程中Kinect实时捕获的患肢运动位置反馈,设计基于模糊推理的机器人辅助被动康复训练控制器;最后,基于Kinect及Barrett公司4自由度WAM^TM康复机器人构建试验统平台,对方法有效性进行试验验证.实验结果表明,所提方法能有效利用医师的临床康复经验,并使机器人较平稳地牵引受试者上肢沿示教任务轨迹进行训练,较好地实现了"医师-机器人-患者"之间的人机协同康复训练.     

基于单片机的上下肢康复训练机器人

介绍了一种基于单片机的上下肢训练机器人.首先介绍了它的机械设计和控制系统设计.上下肢康复训练机器人由SSU7301单片机控制直流电机系统,由C8051F320单片机负责与上位机的USB通信部分,两部分之间通过串口通信.它可在一台康复训练机器人上实现上、下肢的康复训练,并有被动模式和主动模式2种训练方式,主、被动模式能实现自动切换.最后给出了上下肢训练机器人产品实例和实验结果,经过试验验证,该机器人设计合理,性能稳定,实现了上下肢的康复训练.     

一种环境侦察机器人的控制器

为方便控制环境侦察机器人现场作业,设计了一种环境侦察机器人的操纵装置.分析了环境侦察机器人及其控制装置的研究现状,在介绍了多种移动机器人的操作方式的基础上,根据环境侦察机器人工作性质的特殊性,提出了一种适合于环境侦察机器人的操纵装置的设计,并给出了操纵方法.     

基于机械臂的温度传感器抗干扰检定系统

针对既有气象温度自动检定系统无法满足传感器年检量不断攀升的现状，为实现温度检定全程无人参与，提出一种基于机械臂的温度传感器检定系统。首先设计系统的并行控制工作模式及总体架构，然后指出搭建系统的关键技术是实现现场通信抗干扰，即分析电源共地、磁场环境、现场通信等要素共同作用使标准器示值持续跳变问题，最后提出一种抗干扰方法，并对优化后的系统进行对比测试。试验结果表明，该方法可使标准器示值回复至稳定状态，充分保证系统正常运行。     

基于力反馈手柄的移动载人月球车操作控制系统

移动载人月球车相关技术的研究是我国未来载人登月探测的重要任务.根据载人月球车的需求,本文从航天员操作舒适度和操作工作空间出发,设计了一种面向载人月球车操作的力反馈手柄,在具体的场景设计下可以带给航天员力触觉感受,辅助航天员进行安全、有效的驾驶行为.基于力反馈手柄的移动载人月球车操作控制系统包含力反馈手柄、硬件系统、软件系统.力反馈手柄主要由二自由度旋转机构、手杆、带光编码器的直流电机组成;硬件系统为STM32单片机及相关接口电路,STM32作为下位机接收来自上位机的指令信号和力反馈信息,并且向上位机反馈手柄位置信息;为完成移动载人月球车操作控制系统的仿真测试,软件系统是基于unity3D所开发的月球车驾驶场景,搭载使用虚拟传感器,做出驾驶行为决策解算出相应的力反馈信息.实验结果表明,力反馈手柄能较好地辅助航天员操纵载人月球车,有效提升了载人月球车的驾驶效率和安全性.     

通信受限下基于终端滑模和指对数滑模方法的编队航天器姿态协同控制

针对星间通信时延和信号量化情形下编队航天器,研究对应的姿态协同控制器设计问题.首先,为节省编队航天器星间通信的带宽资源,提出基于信号量化的星间数据通信策略,并设计了一种终端滑模姿态协同控制器以保证航天器编队姿态同步系统的渐近稳定;其次,考虑到航天器间可能存在通信时延,考虑基于信号量化的通信策略,提出一种基于指对数滑模面的编队航天器协同控制器设计方法,能保证编队航天器在有限时间内达到期望姿态;最后基于包含4个航天器的编队系统,通过仿真验证了所提出的协同控制方法的有效性.     

基于非线性分离的可倾转四旋翼LQR飞行控制研究

本文研究了一种能够独立控制位置和姿态的可倾转四旋翼飞行器,在建立了系统动力学模型的基础上,针对可倾转四旋翼飞行器系统存在的强输入非线性问题,采用了非线性分离策略,构造中间控制量,将该强非线性系统分离为线性动态环节和非线性静态环节,并仅针对线性动态环节设计了计算量小、易于硬件实现的线性二次型调节器（LQR）,然后再通过反解输入非线性环节将中间控制量分配到实际的控制量——旋翼倾转角和电机转速.仿真实验结果表明,基于非线性分离策略设计的LQR飞行控制器能够实现对可倾转四旋翼稳定控制,很好地独立追踪位置和姿态期望.