面向生物工程的微操作机器人机构型综合研究

首先针对微操作的特点,提出了面向生物工程的微操作机器人机构选用与设计准则.列举了各种可能的3自由度并联机构型式,运用螺旋理论对3自由度平动并联机构型综合的机理作了分析与解释.在此基础上,对3自由度平动并联机构进行了型综合.定性地分析了各类机构作为微动机器人机构所具有的优缺点,从而选择出适合用于生物工程领域微操作的机型.最后给出了机构的CAD模型和实体模型.      

9自由度混联微创外科机器人的正反解

针对北京航空航天大学机器人研究所最新开发的用于胸腹部冷冻穿刺手术的9自由度"5R+4T"混联机器人,基于指数积公式,利用反变换法和逆矩阵的特性,提出了一种在单约束条件下,得到该机器人解析形式正反解的新算法.通过数值算例验证了正反解的互推性,即算法的有效性,并经过对算例的分析给出了修正方案,扩大了算法的适用范围.该方法克服了因为混联机器人自由度多、结构复杂而带来的难以完成正反解计算的困难,为多自由度混联机器人的运动学求解提供了一种新的思路.      

蛇形臂机器人研究与发展综述

介绍了蛇形臂机器人研究与应用的总体情况和具有代表性的样机设计，就关节型和变几何桁架型多冗余自由度蛇形臂的结构设计、运动学、运动规划、动力学与控制等关键技术的研究进展进行了综述，从任务需求和本身特色两方面对未来蛇形臂机器人技术的发展提出了建议。     

水下机器人路径控制与仿真

研究了水下机器人的路径跟踪问题.首先考虑重力、浮力、推力、水动力以及附加质量的影响,建立了6自由度水下机器人的动力学模型.在此基础上设计了非线性控制系统,包括一个内控制回路和一个外控制回路.内控制回路根据机器人动力学模型引入非线性补偿,使得经内控制回路作用后的机器人化为一个解耦的线性定常系统,外控制回路采用比例微分(PD)控制,根据机器人实际轨迹与期望轨迹间的偏差进行负反馈控制.最后通过MATLAB对水下机器人追踪水面目标和跟踪空间螺旋线进行仿真,并给出了仿真曲线,从仿真结果可以看出,利用该方法可以使水下机器人具有较强的抗干扰能力,能够较好地实现对时变理论轨迹的跟踪.     

基于螺旋理论模块化机器人运动学分析与仿真

基于螺旋理论对模块化机器人的速度级和位移增量级运动学关系进行了分析,开发了模块化冗余度机器人的逆运动学控制算法.针对模块化机器人可能具有任意自由度和任意构型、可以经常快速安装和拆卸、易于可重构且由系列化、标准化部件组合的特性,开发了具有自动建模功能的模块化机器人仿真系统.该仿真系统由模块构造器、机器人建造器、图形示教和运动规划仿真器等分系统组成.通过一个7-DOF模块化串联机器人抓放工件的演示实例验证了所提算法和仿真系统的实用性.     

二驱动球形机器人的全方位运动特性分析

介绍一种新型二驱动球形机器人,它使用两个电机作为输入,而球形机器人在平面运动具有三个自由度,所以属于非完整欠驱动系统.内驱动机构通过改变配重重心的位置实现了球形机器人沿任意方向的运动,且球形机器人的位姿影响了球形机器人沿不同方向运动的灵活性.阐述了它的结构特点,利用非完整系统力学理论对球形机器人运动学、动力学进行了初步分析.采用欧拉角和三维转动群知识对球形机器人的全方位运动学特性进行了分析.     

四自由度对称并联机器人结构综合方法

利用螺旋理论,分析了少自由度并联机构中支链运动螺旋系与动平台约束螺旋系的关系,列举了五阶运动螺旋系的支链类型,在此基础上提出了一种四自由度对称并联机器人结构综合的方法,并利用该方法针对动平台3转动1移动的运动特征要求,进行了结构综合,得到多种具有对称结构的四自由度并联机器人机构类型.结果表明:少自由度并联机构的运动与约束通过螺旋数学模型来表达简单直观,便于机构的型综合;同时该方法针对给定动平台的运动特征,可以方便快捷地进行对称结构的型综合,有利于少自由度并联机器人机构的结构创新,为少自由度并联机构的优化设计奠定了基础.     

3PRS/UPS冗余驱动并联机器人刚度特性分布

设计提出了一种采用冗余驱动的3PRS/UPS三自由度并联机器人,并建立分析其机构模型.基于螺旋理论,对并联机器人进行运动学分析,通过分别针对机构的驱动和约束建立了雅可比矩阵,最后整合建立了包含冗余驱动在内的全雅可比矩阵.利用虚功原理,结合并联机器人驱动副和约束副的柔度影响,推导得出了机构全刚度矩阵.同时,分析了机构在给定静载荷条件下的变形情况,总结出机构的空间变形分布规律.使用刚度矩阵的最小、最大特征值和运动刚度指标（KSI,Kinematic Stiffness Index）为机构刚度评价指标,对比和分析了引入冗余驱动前后对并联机器人刚度特性分布的影响,得出冗余驱动支链的引入可提高并联机器人特定方向的刚度和改善刚度分布的结论,为冗余驱动并联机器人优化设计和开发应用奠定基础.      

微创外科机器人手腕灵活性的研究

为了能够按照手术最佳姿态完成机器人路径规划,从几何角度对微创外科机器人手腕灵活性进行研究.根据微创外科机器人末端工具的结构和安装特点,运用末端工具姿态球解析法分析手腕灵活性.研究工具的预置位姿对手腕灵活性的影响,证明工具轴线与末关节轴线垂直时,二自由度手腕可以获得满足微创手术要求的灵活性.研究关节轴向偏距对手腕灵活性的影响,证明当存在Z轴方向偏距的情况下,末端工具可以实现全方位的姿态.在此基础上,提出了二自由度手腕成为灵活手腕的必要条件.依据这一条件可以简化微创外科机器人手腕结构.     

矫形外科机器人技术及应用研究

从矫形外科临床手术的角度,讨论了矫形外科机器人技术及矫形外科机器人辅助手术系统的结构组成.结合矫形外科手术的临床特点和矫形外科机器人的功能,将矫形外科机器人系统的结构分成五个部分:计算机控制、机械本体、传感器、视觉、操作系统.并通过对矫形外科机器人系统这几个部分的阐述,分析了矫形外科机器人系统各组成部分在临床手术过程中的功能及应用特点,从机器人的本体设计、空间布局、控制系统结构、操作方式等方面,提出了矫形外科机器人临床应用过程中的安全策略.在总结矫形外科机器人的临床应用特点的基础上,探讨了矫形外科机器人的研究热点和应用前景,为矫形外科机器人的设计提供方法和设计依据.     

多媒体课件中教学流程和教学呈现的表示方法

引入了通用转换网络对多媒体课件的教学流程作了形式化描述,并在此基础上讨论了教学流程及教学呈现在多媒体课件写作系统中的内部表示方法.该方法将课件中的教学流程描述和教学呈现的表示相分离,使课件写作系统更加灵活;其次,引入呈现描述来表示教学呈现内容,实现了教学内容的并发呈现.本文同时给出了相应表示方法实现的内部结构.     

高升力与失速特性缓和的翼型设计研究

为了探索适用于长航时飞行器的翼型设计思想、方法和技术,进行了新型高升力及失速特性缓和的BUAA-K1/BUAA-K2翼型的设计研究.风洞实验结果表明,与配置著名GAW-1/GAW-2翼型的机翼比较,配置BUAA-K1/BUAA-K2翼型的机翼最大升力系数和最大航时因子分别提高了15%和25%,并且实现了同时具有高升力和失速特性缓和的气动特性.     

冗余度机器人动力学容错控制技术研究

就提高冗余度机器人动力学容错能力问题进行了研究.通过优化关节力矩分配椭球,使得该椭球主轴长度的乘积尽可能大,从而动力学容错能力得到改善.基于此,研究了故障状态下的关节力矩再分配算法和实时的动力学容错控制方案.为了减小故障造成的跟踪误差,对PID(Proportional Inteqrated Differential)和变结构控制的仿真效果进行了对比,仿真结果证实了所提算法的有效性和实用性.     

基于粒子群算法的阻抗控制在机械臂柔顺控制中的应用

阻抗控制策略是实现机械臂的末端力柔顺控制的一种重要方法.然而,针对阻抗控制参数的确定,目前尚缺乏通用算法.粒子群算法具有概念简单、易行、鲁棒性好等特点,适用于阻抗控制参数的确定与优化.通过分析基于力反馈的笛卡尔空间阻抗控制结构,采用粒子群算法整定阻抗控制参数.结合阻抗控制自身特点对粒子群算法做了相应改进,并通过仿真验证了优化后的阻抗控制算法可实现对七自由度机械臂的柔顺控制且具有较好的鲁棒性.     

多机械臂的分布式自适应迭代学习控制

针对拓扑结构为无向连通的多机械臂系统,提出了一种自适应与迭代学习相结合的分布式控制协议来实现整个系统对给定期望参考轨迹的一致性跟踪.通过引入一个适当的自适应迭代学习参数,所提自适应迭代学习控制协议能够克服机械臂系统中的干扰和模型不确定性,并且每个机械臂的自适应迭代学习控制(AILC)律仅需要利用其与邻居机械臂的相对交互信息.进一步,在只有一部分机械臂具有期望参考轨迹信息的前提下,该控制协议可以实现整个系统对期望参考轨迹的跟踪,同时能够保证轨迹跟踪误差与控制输入的有界性.此外,利用李亚普诺夫分析方法证实了所得结论的正确性,并且通过一个实例验证了所提自适应迭代学习控制协议的有效性.      

双臂协调机械手动力学建模的新方法

由于某种既定任务而产生的约束关系的存在,使得双臂协调机械手的动力学特性表现出高度的非线性和耦合性。因此,利用传统的拉格朗日方程建立其动力学模型显得困难重重。针对平面双臂协调搬运机械手的动力学建模问题,基于传统的拉格朗日方程给出并证明了平面多杆机械手动力学方程的一般表达式。然后利用上述表达式,并基于分析力学界著名的Udwadia-Kalaba方程的建模思想,获得双臂协调机械手在预定轨迹下各杆所需附加力矩的解析表达式及系统的动力学方程,克服了传统拉格朗日方程需借助拉格朗日乘子获得动力学方程的缺点。双臂协调机械手的关节角变化规律和被搬运物体轨迹的数值仿真结果证明所建立的动力学方程符合实际情况。      

柔性基座冗余机械臂的最优反作用控制

针对柔性基座冗余机械臂的末端轨迹跟踪问题，提出一种反作用最优控制方法，该算法将轨迹跟踪视为高优先级任务，而反作用优化控制在高优先级任务零空间内进行。由于冗余机械臂的自运动能在不影响末端运动的前提下改变关节运动，利用冗余机械臂的自运动消除振动系统中的低阶模态力，使机械臂在完成轨迹跟踪的同时激起的弹性振动大幅减小，从而提高了系统的稳定性。以平面3自由度柔性基座机械臂和空间7自由度柔性基座机械臂为例进行数值仿真，证实了方法的有效性。     

一种解析和数值相结合的机器人逆解算法

针对不存在解析逆运动学解的机器人结构,提出一种解析与数值相结合的求解算法.将传统的算法简化为寻找一个合适的目标函数,对一维关节变量进行迭代求解,其余关节变量可以用解析式求得,从而将逆运动学的多变量迭代求解问题简化为一维变量迭代求解.利用该算法对一种不存在解析逆解的5自由度机器人进行解算,耗时不足0.3ms,计算速度优于传统的算法.这种算法的实时性和准确性满足了机器人实时控制的要求,不需要进行正运动学计算,可以解决大多数关节正交结构的机器人逆运动学问题.      

基于驱动或结构冗余的并联机器人容错方法

研究了并联机器人利用驱动冗余进行驱动器故障容错及利用结构冗余进行关节故障容错的方法.结合冗余驱动并联机构的力矩分配问题的多解性,分析了部分驱动器故障后在剩余正常工作驱动器之间重新分配驱动力矩以实现容错的方法.结合结构冗余并联机构的特点,分析了放弃部分结构自由度以完成操作任务的方法.从运动学和动力学角度讨论了两类冗余机器人的特点及容错的可能性,以一种平面三自由度并联机构为实例,针对驱动器及关节故障分别分析了故障后机构运动学和动力学性能的变化,验证了采用驱动及结构的冗余进行容错的可行性.     

柔性机器人避动力奇异方法的研究

对柔性机器人避动力奇异的方法进行了研究,得出当机器人第i阶模态频率与模态激振力某阶频率相等,且模态激振力比较大时,机器人就会出现动力奇异问题的结论;分析了机器人的结构参数和运动参数是影响其固有频率的因素,提出了在不改变机器人预定工作任务的情况下,对已有的机器人可以通过在其柔性臂上附加一质量块以调节机器人的固有频率,从而避免动力奇异问题的发生;同时给出了附加质量块的规划策略,并以一末杆为柔杆的空间三杆机器人为例,验证了所提方法的有效性.该方法也适用于其它一般机械系统.