摘要：针对协作机器人的构型分析研究,得出了偏置是影响机器人构型的一个重要因素。首先,对现有典型协作机器人的构型进行分析,通过构型间的内在联系与演化过程得到构型之间的差异。然后利用构型之间的差异引出了偏置的定义,并通过偏置对关节运动范围的影响将其分为S型偏置和Y型偏置。最后以全局性能指标、工作空间体积指标和灵活工作空间指标为性能评价标准,对iiwa、Sawyer、Yumi三种典型构型的性能进行了仿真。通过对比分析可知,偏置的存在使构型的全局性能和工作空间体积性能降低,但对灵活工作空间性能有提高作用。结果表明偏置是影响机器人性能的重要因素,该分析研究为协作机器人的构型设计提供了理论依据。

摘要：针对单孔腔镜手术机器人的执行器械从驱动空间至操作空间的强运动耦合问题,研究关节联动构型,实现运动解耦,简化运动学模型.首先分析联动构型的运动特性并设计滚轮约束式铰接关节.继而研发了7自由度的联动构型器械,它可实现2自由度的"联动展开".建立了D-H(Denavit-Hartenberg)模型,分析联动构型器械的位姿分离,并通过解析法直接求解逆运动学.然后基于立体角度量手术器械末端在给定点的灵活度,优化联动构型器械的远端段关节布置.实验表明,联动构型器械末端的姿态只取决于远端段关节,"联动展开"只改变器械末端的位置.驱动空间至关节空间的最大误差小于3°,近端段与远端段的驱动之间互不干扰.

摘要：微型仿生机器人是一种仿照生物外形和运动形态制作设计的机器人,凭借其体型小、机动性高、环境适应性强等优点,在复杂环境探索、敌情侦察等特殊场景中具有较高的应用前景,近年来备受研究人员的关注.但是微型机器人运动稳定性弱、单目相机环境感知精度低等问题的存在一直制约着其实际应用.本文仿照昆虫“独角仙”设计了一种新的微型仿生爬虫机器人,开发了基于生物运动调控机制的六足机器人控制系统,改进了基于啮齿类动物空间导航原理的同时定位与建图系统.使用自研的微型仿生爬虫机器人在人造沙盘和真实室内走廊两个场景中进行了实验验证.在人造沙盘场景,由于微型仿生爬虫机器人提供的环境图像质量模糊,ORB-SLAM3算法无法完成回环检测,不能正确识别曾经见过的场景.类脑同步定位与地图构建(simultaneous localization and mapping,SLAM)系统回环准确率高达100%,比原RatSLAM算法提高了4.36%.在真实室内走廊场景,ORB-SLAM3算法和RatSLAM算法建图效果都比较差,而类脑SLAM不仅有着较好的建图结果,而且在准确率100%的同时召回率也高达97.87%.与ORB-SLAM3和RatSLAM算法相比,类脑SLAM系统取得了较好的建图结果.因此,自研的微型仿生爬虫机器人具有灵活的运动能力、鲁棒的导航定位能力,促使微型仿生机器人离实际应用更近了一步.

摘要：针对脊柱微创手术实际的临床导航需求,设计开发了一种基于增强现实的脊柱微创手术导航系统。在术前通过CT对患者脊柱病灶部位进行扫描和重建,将合适的脊柱模型导入Unity-3D平台中并为其添加控制脚本。使用标定球对手术器械进行标定,采用Polaris Vega光学追踪器实时追踪手术器械,建立手术器械与Polaris Vega光学追踪器之间的坐标转换关系,将识别到的手术器械位姿信息实时发送到HoloLens设备中,从而实现手术器械、病灶模型等医疗影像的同步显示。在术中为医生提供3维脊柱病灶影像的可视化显示,帮助医生实现病灶定位和手术器械导航。经过脊柱模型实验测试,系统导航误差小于2.8 mm,可以满足脊柱外科的临床应用要求。

摘要：基于运动想象脑电(EEG)的脑-机接口系统能够为用户提供更为自然、灵活的控制方式,已广泛应用到人机交互领域。然而,由于目前运动想象脑电的信噪比及空间分辨率较低,导致信号解码正确率较低。针对这一问题,本文提出一种基于时空特征学习卷积神经网络(TSCNN)的运动想象脑电解码方法。首先,针对经过带通滤波预处理的脑电信号,依次设计时间和空间维度上的卷积层,构造出运动想象脑电的时空特征;然后,利用2层二维卷积结构对脑电的时空特征进行抽象学习;最后,通过全连接层和Softmax层对TSCNN学习的抽象特征进行解码。利用公开数据集对该方法进行实验测试,结果表明,所提方法的平均解码精度达到80.09%,分别比经典的解码方法共空间模式(CSP)+支持向量机(SVM)和滤波器组CSP(FBCSP)+SVM提高了13.75%和10.99%,显著提升了运动想象脑电解码的可靠性。

摘要：将单目相机和惯性测量单元(IMU)固定在机械臂末端,可以有效地协助机械臂进行运动估计和场景感知。单目相机、IMU和机械臂之间可靠、准确的标定是实现随动感知的前提。但是,传统的标定方法存在耦合误差大、标定一致性差和6自由度激励不充分的问题。为此,本文提出了一种新颖的单目相机-IMU-机械臂的空间联合标定模型,该模型能够将旋转分量的误差和平移分量的误差完全解耦。此外,创新性地设计了一种螺旋式运动轨迹来标定感知模块,采用这种运动轨迹能够避免6自由度激励不充分和一致性差等问题。在实验环节,本研究搭建了单目相机-IMU-机械臂空间联合标定平台,计算得到三轴姿态角和平移分量的均方根误差分别小于0.7°和7 mm,证明了所提标定方法的有效性。

摘要：针对枸杞果实小、水分大、易破损的特点,并结合枸杞采摘的工作空间要求,以及枸杞采摘环境的复杂性,设计出了高效灵活的枸杞智能采摘机器人的双机械臂结构系统。运用D-H法建立了机器人坐标变换矩阵,对机器人运动学进行了分析,并提出一种反向建立D-H坐标系的间接求解算法来获得采摘机械臂的逆运动学解析解。通过运动学仿真验证了机器人结构设计的有效性,并对间接求逆运动学解析解算法的正确性进行了验证,计算时间比Matlab机器人工具箱的逆运动学算法减少了40%左右。

摘要：为完成三峡大坝流道的缺陷检测,设计开发了一种滚动密封结构的履带式爬壁机器人。该机器人以柔性履带作为密封裙实现滚动密封,具备密封结构耐磨性好、通过性和壁面适应性强等特点,而长效稳定吸附是机器人设计的关键问题。基于动力学建模方法,提出了滑移参数等指标作为滚动密封爬壁机器人的稳定吸附条件,用于考察机器人运动状态下、特别是滑移转向状态下的吸附稳定性与运动准确性。通过讨论负压力在内的相关设计参数对机器人滑移与稳定吸附的影响,建立了关键设计参数与机器人吸附稳定性的联系。仿真与实验结果表明,所提的安全吸附条件能够作为开展爬壁机器人运动性能优化设计的理论依据,同时也为建立相应的控制模型提供了参考。

摘要：结合激光诱导击穿光谱(LIBS)技术,设计激光清洗在线监测系统以实时监测激光清洗的质量。实验所用的激光器为光纤激光器,其可以在多维空间中加工应用。首先确定激光清洗速度,并研究LIBS随激光单脉冲能量密度的变化规律,用来表征碳纤维复合材料清洗的效果。然后在数据分析的处理上,采用均值平滑去除背景的方法处理包络状的光谱连续背景;采用DBSCAN(Density-Based Spatial Clustering of Applications with Noise)算法实现光谱噪声和有效数据的分离;采用皮尔逊系数分析的方法确定激光清洗的最佳烧蚀次数,为激光清洗实现过程自动优化控制提供判定依据。最后采用扫描电子显微镜分析碳纤维表面形貌特征,证实LIBS技术在线监测激光清洗效果的有效性。

摘要：本文提出一种新的基于事件的预测控制策略,在保证系统稳定的同时,能适应环境的不断变化和应付突发事件,极大提高了系统的操作性能.该策略在主端设计一个基于时延预测的路径管理器,在线产生一个适当的预测事件,以提高跟踪性能以及环境适应能力和应付突发事件的发生;在从端设计一个广义预测控制器,产生冗余的控制信息以减小数据丢包和大时延对系统的影响,提高系统的鲁棒稳定性和操作性能.仿真试验结果表明本文方法能有效解决时变时延以及网络数据丢包引起的稳定性问题和性能下降问题.