灵巧手主从操作中的人手运动跟踪与识别

在灵巧手主从抓持规划系统中,一项重要的研究内容是获取人手的运动信息.利用计算机双目立体视觉系统作为灵巧手主从操作的人机接口,研究人手指尖运动实时跟踪和识别的方法,提出了一种人手指尖位置的动态识别算法及其实验系统.利用本实验系统,完成左右两像面4个目标点所用的最长识别时间为0.4ms,且人手在正常运动速度时,识别率达100%,表明本算法同时满足实时性和识别率的要求.      

漂浮基闭链双臂空间机器人抓持系统动力学及载荷力/位置混合控制的模糊变结构控制器设计

讨论了载体位置、姿态均不受控制的漂浮基双臂空间机器人抓物系统的动力学建模和控制问题. 利用拉格朗日方法和牛顿欧拉法分别建立了双臂空间机器人及负载的非线性动力学模型, 结合空间机器人固有的特性及闭合链约束关系, 得到抓持系统合成动力学方程. 以此为基础, 考虑到空间机器人系统结构的复杂性及某些参数的变动性, 根据具有较强鲁棒性的变结构控制理论, 针对该抓持系统惯性空间轨迹跟踪设计了全局滑模控制方案及相应的PI内力控制方案, 从而达到位置、力的混合控制. 为克服滑模控制器抖振的缺点, 附加设计了模糊控制器, 根据系统的输出来动态调节滑模控制器的参数, 从而既可确保系统的快速响应又可降底原有的抖振. 系统数值仿真证明了上述控制方案的有效性与准确性.      

控制力矩受限情况下漂浮基空间机械臂基于饱和速度滤波器的自适应控制方法

讨论了控制力矩受限且系统参数不确定情况下, 载体位置不受控、姿态受控 的漂浮基空间机械臂系统的智能控制问题. 运用系统动量守恒关系和拉格朗 日方程建立系统的动力学方程. 针对控制力矩受限和机械臂末端爪手所抓持 的载荷参数不确定的情况, 设计了一种基于饱和速度滤波器的自适应控制方 法. 该控制方法运用自适应调节规律有效地克服了系统不确定参数对控制精 度的影响; 运用双曲函数限制控制力矩的幅值大小, 使其更符合空间实际的 要求. 此外, 速度滤波器的运用使得在控制过程中不需要测量和反馈系统的 速度信号, 从而使得控制更加简单易行. 仿真结果证明了所提出控制方法的 有效性.      

灵巧手滚动操作的运动规划

主要研究灵巧手和物体滚动接触时运动规划,首先,介绍了空间物体曲面的表示,在此基础上建立了两刚体点接触时的运动学方程,并由点接触的运动学方程和滚动接触的约束条件得到了两刚体的滚动接触运动方程,然后,由于掌坐标,手指末端坐标,接触坐标和物体坐标之间的位置关系,推导了关节速度和物体速度之间的关系,建立了灵巧手滚动操作的运动方程,并分析了滚动操作中的物理约束,位置约束,速度的约束和方向约束及其表示,最后,     

灵巧手滚动操作的运动规划1)

主要研究灵巧手和物体滚动接触时运动规划.首先，介绍了空间物体曲面的表示，在此基础上建立了两刚体点接触时的运动学方程，并由点接触的运动学方程和滚动接触的约束条件得到了两刚体的滚动接触运动方程；然后，由手掌坐标、手指末端坐标、接触坐标和物体坐标之间的位置关系，推导了关节速度和物体速度之间的关系，建立了灵巧手滚动操作的运动方程，并分析了滚动操作中的物理约束、位置约束、速度约束和方向约束及其表示；最后，根据所建立的方程和约束条件对平面滚动操作进行了仿真.     

用于灵巧手的新型两自由度关节机构

提出并设计完成了一种用于灵巧手的两自由度关节机构,该机构用于连接灵巧手的下指节与掌骨节,使得下指节相对掌骨节同时实现屈曲和侧展2个运动.在完成两自由度关节机构设计的基础上,对该机构进行了运动学分析,并应用虚拟样机技术进行了验证.两自由度关节机构的应用将对提高灵巧手的动力学特性和简化灵巧手的结构设计起到重要的作用.      

基于手眼视觉的测量与定位方法的研究与实现

机器视觉对机器人克服工作环境中的不确定性具有重要意义。针对空间遥操作机器人面对的是危险不确定环境，文中提出一种基于手眼视觉的测量与定位方法，可为判断示知目标物体是否可抓持以及进行抓持规划提供有效依据。在重复定位的任务中，该方法可以利用目标物质的先验信息快速定位从而避免频繁移动手臂。文章首先给出了该方法的原理，然后通过实验实现了此方法，并对误差进行了分析，实验结果表明了该方法具有较高的精度。     

基于经验的抓取姿态构造及数据手套校正

针对数据手套校正过程中真实人手姿态获取困难、校正模型简单的问题,提出一种基于真实抓取经验的校正数据库构造方法.该算法根据人手生理结构和手套传感器布局建立具有更高运动逼真度的虚拟手运动学模型,实现更为灵活的拇指运动和软手掌效果;在不需要任何外部硬件设备的情况下,将真实抓取经验与最优化理论结合,寻找针对给定三维物体及操作任务的最优抓取姿态,从而构造真实人手姿态数据库;利用最小二乘拟合和闭环迭代算法获得精确的数据手套传感器输出模型.实验结果表明:所提出的姿态构造方法能有效提高数据手套校正效率,且操作过程简单,易于实现自动化校正,适合实际工程应用.     

一种非线性航迹自适应跟踪控制方法

针对小型无人飞行器航迹跟踪精度和飞行品质问题,提出了一种基于非线性航迹的自适应跟踪控制方法.应用五阶B样条拟合航点,构建非线性期望航迹;建立基于非线性期望航迹Serret-Frenet坐标系下的位置和运动航向误差方程;根据误差方程设计渐近稳定收敛的自适应运动航向控制律.并应用此方法进行了外场飞行实验,实验结果表明自适应航迹跟踪控制方法有效且能保证航迹跟踪精度.     

双臂空间机器人关节运动的一种增广鲁棒控制方法

讨论了载体位置与姿态均不受控制情况下,漂浮基双臂空间机器人系统的控制问题.结合系统动量守恒关系进行的运动学、动力学分析表明,可以得到一组与适当选择的惯性参数呈线性函数关系的、欠驱动形式的系统动力学方程.以此为基础,并采用增广变量的思想,克服了通常情况下,空间机器人系统动力学方程关于系统惯性参数呈非线性关系的难点,针对双臂空间机器人末端爪手所持载荷参数不确定,但误差范围可确定的情况,设计了漂浮基双臂空间机器人关节运动的变结构鲁棒控制方案.该控制方案的优点在于,不需要反馈、测量漂浮基的位置、移动速度及移动加速度;与自适应控制方案相比,化积分运算为简单四则运算,计算量大为减少,有利于实时应用.通过对一个平面双臂空间机器人系统的数值仿真,证实了算法的有效性.      

Design and fabrication of robotic gripper for grasping in minimizing contact force

This paper presents a new method to improve the kinematics of robot gripper for grasping in unstructured environments, such as space operations. The robot gripper is inspired from the human hand and kept the hand design close to the structure of human fingers to provide successful grasping capabilities. The main goal is to improve kinematic structure of gripper to increase the grasping capability of large objects, decrease the contact forces and makes a successful grasp of various objects in unstructured environments. This research will describe the development of a self-adaptive and reconfigurable robotic hand for space operations through mechanical compliance which is versatile, robust and easy to control. Our model contains two fingers, two-link and three-link, with combining a kinematic model of thumb index. Moreover, some experimental tests are performed to examine the effectiveness of the hand-made in real, unstructured tasks. The results represent that the successful grasp range is improved about 30% and the contact forces is reduced approximately 10% for a wide range of target object size. According to the obtained results, the proposed approach provides an accommodative kinematic model which makes the better grasping capability by fingers geometries for a robot gripper.     

微创外科机器人灵活工作空间分析

微创手术给外科机器人提出了较高的灵活性要求,但是机器人很难具有完全灵 活的工作空间.首先提出象限分割的方法,即把手术工作空间分割为8个象限,确定微创外 科机器人所需灵活工作空间只需要为手术工作空间的1/8.然后,给出微创外科机器人灵活 工作空间与工作空间之间的解析关系, 从而确定机器人的运动学参数.在此基础上,对自行 设计的微创外科机器人结构进行了运动学参数优化设计.这种方法有效降低了微创外科机器 人的灵活性要求,解决了机器人结构尺寸与灵活性之间的矛盾.      

具有三分支空间机器人的运动学分析

对三分支空间机器人机构进行运动学分析.首先给出了该空间机器人机构的模型和3种工作模式,在搬运和协调操作2种模式下机构采用了串并联的结构型式,在运动学上具有特殊性故成为研究重点.由于此时机构具有12个关节变量,其中只有6个是独立的,这样给机构的分析及控制带来了困难.为此,利用影响系数法推导了机构独立运动参数与非独立运动参数之间的约束方程,建立了输出运动与输入运动之间的映射关系.从而解决了机构的速度和加速度的反解问题.      

基于高斯过程的机器人自适应抓取策略

在机器人抓取作业时,目标物体的位姿经常发生变化。为了使机器人在运动过程中能够适应物体的位姿变化,提出了一种基于高斯过程的机器人自适应抓取策略。该方法建立了从观测空间到关节空间的映射,使机器人从样本中学习,省去了机器人视觉系统的标定和逆运动学求解。首先,拖动机器人抓取物体,记录物体的观测变量和机器人的关节角度;然后,利用记录的样本训练高斯过程模型,实现观测变量和关节角度的关联;最后,当得到新的观测变量时,通过训练的高斯过程模型得到机器人的关节角度。经过训练后,UR3机器人成功抓取了物体。     

人机协作中人的动作终点预测

为实现安全高效的人机协作（HRC）,需要机器人及时对人的动作做出预测,从而积极主动地辅助人工作。为解决在HRC装配场景中机器人对人的动作终点预测问题,提出了一种基于长短时记忆（LSTM）网络的动作终点预测方法。在训练阶段,用人的动作序列与对应的动作终点组成的样本训练LSTM网络,构建动作序列与动作终点之间的映射。在应用阶段,根据人的动作的初始部分对动作终点提前做出预测。通过在装配场景中,对人抓取工具或零件的动作终点进行预测,验证了所提方法的有效性。在观测到50%的动作片段时,预测准确率达到80%以上。      

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.     

基于速度方向可操作度的机器蛙机构参数优化

以速度方向可操作度作为跳跃性能的评价指标,从机构设计角度寻求改善仿蛙跳跃机器人跳跃性能的方法.在仿蛙跳跃机器人机构模型的基础上,建立了起跳阶段的运动学方程,得到机器人从关节空间到质心运动空间的速度映射关系,结合速度方向可操作度,利用优化算法对仿蛙跳跃机器人的机构参数进行优化,使机器人的跳跃性能达到最佳.优化结果表明,运用速度方向可操作度理论,对跳跃机器人机构参数进行优化研究是有效可行的.     

倒锥面高层玻璃幕墙清洗机器人设计

为满足倒锥面高层玻璃幕墙清洗机器人对小质量、高可靠性、高安全性的要求,提出了运动驱动分散配置、主运动与辅助运动一体化、主运动柔性驱动的机器人结构设计原则;针对具体建筑结构设计了完备的清洗机器人系统,讨论了机器人对作业对象遍历运动和吸附、清洗功能的实现方法;分析了机器人系统对建筑结构误差的适应能力,证明了柔性驱动结构的可行性.在上述基础上开发了倒锥面高层玻璃幕墙清洗机器人系统,并进行了现场试验,证明了系统的实用性和可靠性.该系统已成功应用于机场指挥塔幕墙的清洗作业.