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.     

控制力矩陀螺驱动的空间机器人轨迹跟踪控制

提出一种新的空间机器人设计概念,并研究其轨迹跟踪控制问题.系统中的各机械臂以自由球铰连接,在机器人平台和每节机械臂上均安装有一组控制力矩陀螺（CMGs,Control Moment Gyroscopes）作为控制力矩执行机构.采用改进的罗格里得斯参数（MRPs,Modified Rodrigues Parameters）描述平台和各节机械臂的姿态,利用Kane方程建立了系统的动力学模型.在此基础上,用逆动力学方法设计了系统的轨迹跟踪控制律,用以实现卫星平台的位置/姿态和机械臂末端作用器位置的轨迹跟踪控制.采用带有零运动的CMGs操纵律以使CMGs准确输出力矩并回避构型奇异.基于两关节机械臂系统和金字塔构型CMGs的数值仿真结果验证了所设计的控制律和操纵律的有效性,以及自由球铰连接方式在提高末端作用器运动自由度和降低系统动力学耦合方面的优越性.      

蟑螂机器人崎岖路面行走算法设计与实现

针对直接串联式结构承载能力较弱的问题,设计了一种基于双四连杆构型的仿生蟑螂机器人,该构型运动灵活,承载能力强且可以实现解耦控制.建立了该构型的数学模型,进行运动学分析,求解出机器人的正解以及逆解.采用压力感应电阻(FSR,Force Sensing Resistor)以及光电开关联合检测蟑螂机器人行走在崎岖路面时足端是否落地的信息,而且提出一种新的足端轨迹规划实现蟑螂机器人在崎岖路面的快速行走,综合之前的运动学计算,设计了可用来控制蟑螂机器人在崎岖路面行走的算法,实验验证该算法可以控制机器人在崎岖路面以10 cm/s的速度行走.      

灵巧壁面移动机器人运动学和动力学研究

灵巧壁面移动机器人是一个约束可变的系统,其可控性问题有待于证实.针对履带驱动方式具有非完整约束的性质,利用李群理论和微分几何的分析方法,对各种构型情况下灵巧壁面移动机器人运动学和动力学特性进行了研究,证明了灵巧壁面移动机器人的可控性,建立了机器人动力学方程,为机器人控制器的设计提供了理论指导.      

平面并联机器人的轨迹控制与在线监控

提出了三自由度平面并联机器人的运动学控制方法,通过逆向运动学求解实现对机器人的轨迹规划;提出完成并联机器人在线监控的2个步骤:首先利用解析法实现并联机器人的正向运动学分析,再综合运用二分法和插值法进行正解的在线计算.还研究和完成了基于PC的模块化机器人控制系统设计,该设计主要包括使用C+ +语言完成并联机器人运动学控制算法编程和设计基于PMD(Performance Motion Devices)的模块控制器.该控制系统在三自由度模块化平面并联机器人上进行了演示,并将在MATLAB下实现的数值法与C+ +语言编写的解析法进行了比较,其结果验证了运动学算法和运动控制器的性能.      

航天器构型重构技术研究进展与展望

航天器构型重构技术是航天器在轨服务等重大空间任务必须突破的关键技术之一,将对新一代航天器系统的设计与研发产生深远影响。首先,给出了航天器构型重构的内涵及分类;其次基于主结构变构型等多种典型技术,对构型重构技术的研究现状进行了系统的总结和探讨;随后基于标准化模块设计等方法,给出了航天器构型重构技术体系;接着从支持航天器故障排除等方面出发,对构型重构技术的应用前景进行了归纳;最后,总结了构型重构技术的总体研究进展,并对其未来发展进行了展望。     

太阳帆航天器编队维持和重构的方法研究

针对高面质比航天器可以利用太阳光压进行轨道控制的特点,本文提出一种太阳帆航天器编队构型维持和重构的方法.该方法通过控制主从航天器太阳帆姿态角和反射系数,调整主从航天器之间的光压差,产生抵消编队成员间相对运动受到摄动差或进行轨道机动时所需的连续小推力,从而实现编队构型的维持和重构.仿真结果表明,在主航天器太阳帆的姿态角和反射系数相对固定的条件下,对于太阳同步轨道上的高面质比太阳帆航天器编队,使用滑模控制方法,能够调整编队中从航天器太阳帆的姿态角和反射系数产生推力抵消摄动力影响,达到长期维持太阳帆航天器编队构型的目的;通过开环控制方法,能够调整编队中从航天器太阳帆的姿态角和反射系数产生连续小推力,在较长时间周期内实现编队重构.     

卫星导航系统失效性能分析与重构方法研究

摘要： 以建成后的北斗卫星导航系统为对象,研究导航星座中有卫星失效下的星座性能和重构方法.分析不同失效模式下导航星座的服务性能,在此基础上建立导航星座重构构型的优化模型和基于遗传算法的导航星座重构构型优化设计方法;研究星座构型重构过程中卫星的机动策略和机动模型;针对某一具体的失效情况通过仿真计算验证重构模型的有效性和准确性并给出该失效情况下构型重构的机动方案.     

飞机构型控制技术初探

为了对现代飞机制造业中存在的复杂飞机构型进行有效地管理,解决产品数据管理中所遇到的构型控制难题,分析了现代飞机制造的特点以及对当今飞机制造业提出的问题,强调了构型控制技术的重要性.在明确了构型控制技术一些主要相关概念的基础上,借鉴波音公司实施构型控制技术的经验,针对中国飞机制造业的现状和未来发展,指出了飞机构型控制技术的4个关键内容,阐明了为实现飞机构型控制技术目前应开展的工作.     

飞机构型管理研究与应用

为了满足现代飞机复杂化、多元化和系列化的要求,保证在飞机数字化设计制造过程中产品数据的一致性、完整性和可追踪性,借鉴波音公司简化构型管理的思想,研究了飞机构型管理和控制的过程,强调构型管理技术在飞机研制的整个生命周期过程中的重要性,明确了构型管理的基本定义,区别了物料清单BOM(Bill Of Material)视图--工程BOM、工艺BOM、制造BOM等与构型之间的关系,指出并分析了飞机构型管理和控制的4项关键技术,即将基于图纸的构型管理变为基于零部件的构型管理;模块化组织飞机产品结构单元;简化有效性管理,通过模块有效性控制飞机产品构型;强化版本的控制.并针对这4项关键技术给出实际的应用解决方案.     

一种六杆并联机器人的控制问题和控制器研究

针对一种六杆并联结构工业机器人,研究了其运动学逆解和正解算法,以及它们在开放式数控系统中的具体实现技术,解决了基于逆解算法的实时坐标变换问题和基于正解算法的系统初始化问题,并给出了相应模块与数控系统内核的接口,最后在一种开放式数控系统平台上实际开发成功针对这种并联结构机器人的控制系统,从而得出结论,采用正确的实现技术,并联结构机器人的实时控制问题可以在开放式数控系统中很好地得到解决.      

微小型机器人嵌入式自驾仪设计

分析了不同类型微小型机器人对自驾系统的共性需求.提出了一种基于ARM(Advanced RISC Microprocessor)和μCOS-II的嵌入式自驾仪设计方法,给出了从需求分析、功能设计、结构设计、硬件设计、软件设计的系统设计过程,并分别从上述各方面对自驾仪的通用性进行了探讨.层次化的体系结构、模块化的硬件、结构化的软件以及无精确模型的模糊控制方法使得设计出的自驾仪经过简单的硬件调整和软件定制,就能适用于仿生机器鱼、履带机器人、小型无人机等不同的微小型机器人平台.经过多次试验验证,该自驾仪性能稳定、具有一定的通用性,弥补了专用自驾仪在多元异构群体中应用时的成本高、协调控制困难、兼容性和维护性差等不足.     

基于模块化的缠绕机设计方法

缠绕机具有生产效率高、产品质量稳定等特点,是碳纤维复合材料成型的关键工艺装备。针对产品小批量、定制化的生产需求,提出了针对缠绕机结构和控制系统的模块化设计方法（MDM）,拓展缠绕机的功能多样性。将缠绕机的结构部件进行功能分解和关联强度分析,采用组遗传算法（GGA）将部件聚类为标准化的模块,根据产品需求,以产品性能最好和成本最低为目标建立模块配置模型,基于快速分类的非支配遗传算法（NSGA-Ⅱ）求解多目标优化模型完成机械结构模块化配置。提出基于现场总线的分布式网络控制器结构,将控制器的接口标准化和网络化,根据机械结构的模块化配置实现控制器的快速重构。基于模型组件对象（COM）技术将软件模块设计为COM组件,采用k近邻（kNN）方法进行控制模式分类,并进行COM组件的重构,控制软件动态解析控制模式并管理COM组件的状态转移关系,从而实现软件的快速重构。对结构、控制器和软件模块化方法的研究能够实现缠绕机的快速重构,拓展缠绕机的功能。      

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.     

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.     

基于冗余主从节点架构的飞行器遥测参数采集系统研究

基于冗余主从节点架构,设计了一种器载遥测参数采集系统,承担信息汇总功能的中心节点采用双机热备份,在出现故障时经自主判别和切换,可实现控制权快速切换,提高了系统的可靠性和重构性。采编单元的供电与信号采集模块采用一体化设计,降低了配套电缆网设计难度和重量。测试结果表明,该系统能有效地满足航天飞行器遥测参数隔离采集、传输和故障隔离的要求,实现遥测参数的高可靠、高精度采集和传输,对于工程应用具有一定的参考意义。     

多操纵面飞机综合重构飞行控制方法

为提高飞机飞行安全性能,将被动重构控制与主动重构控制相结合,提出了一种综合重构飞行控制系统设计方法.采用轨迹线性化控制方法进行飞行控制律设计,使系统具有较强的鲁棒性.针对多操纵面飞机,提出面向故障的操纵面管理概念,通过基排序最优控制分配方法以基底的形式对操纵面进行重新组合,并按照期望控制目标进行排序,实现在操纵面故障下的控制重构.仿真结果表明,该控制系统能有效处理各种典型操纵面故障,在操纵面发生故障时仍能快速跟踪控制指令,保证较好的飞行性能.     

一种面向模块化可重构机翼的分步补偿优化方法

针对模块化可重构机翼结构的优化设计问题,以沿展向分布的3个翼段模块为研究对象,研究了不同翼展方案机翼的载荷相关性,通过在优化迭代过程中自动调整设计空间,解决了模块化可重构机翼优化设计时复杂的变量-约束耦合影响问题,建立了适用于模块化可重构机翼结构的分步补偿优化方法。以某无人机模块化可重构机翼结构优化设计问题为例,建立了优化模型,并分别采用所提分步补偿优化方法和传统单方案优化方法进行了优化设计。结果表明:所提方法能够稳定收敛,与单方案优化结果相比较,所提方法以较小的重量代价满足了3种重构方案的所有设计要求,且优化结果具有较好的工程实用性。      

110 GHz~170 GHz天线平面近场测量系统

面对(110~170) GHz天线准确计量的需求，设计了一套基于机械臂自动扫描的(110~170) GHz天线平面近场测量系统，它由矢量网络分析仪、扩频模块、机械臂扫描架、小型光学平台、扫描探头等硬件组成，通过测量软件设置仪器参数,控制机械臂扫描轨迹，采集扫描面上测试点的幅度和相位，将近场采集的数据用付氏近远场变换算法还原成天线增益方向图。采用标准增益喇叭天线对该系统进行实验验证，并将近场测量结果与远场测量结果进行比较，结果表明该系统测量方向图主瓣最大偏差为0.25 dB，能够满足天线计量的需求。     

大型不规则曲面加工机器人系统控制设计

对在不规则曲面上进行规则图形的加工,基于三自由度直角坐标机器人及二自由度变位机的加工系统,构造了控制软件系统.该系统实现了工程数据库的管理,加工序列的规划,切削路径的生成,自动离线编程与仿真,实时监测与异常处理,工况预测与误差补偿等功能.试验证明,该控制软件能准确、有效、实时地控制加工过程.