摘要：由于生物能够通过丰富的运动形式完成特定的任务,仿生设计方法受到了学者们的广泛关注.蚯蚓在各种环境中具有出色的移动能力和适应性,受此启发,仿蠕虫机器人被提出并应用在搜救、医疗等领域.然而现有的仿蠕虫机器人一般通过体节的轴向变形实现直线运动,无法实现类似蛇类生物的起竖功能.为了解决现有的仿蠕虫机器人无法起竖的问题,本文提出了一种具有非线性多稳态性质的仿生柔性关节,并在此基础上构建了多节仿生起竖结构以实现类似尺蠖、蛇等生物的起竖功能.首先,本文提出了一种仿生起竖关节模型,推导了多节仿生起竖结构的总势能表达式,从而建立了多节仿生起竖结构的动力学模型;随后,基于多节仿生起竖结构总势能的表达式和多元函数极值原理,提出了实现需求起竖构型的结构参数设计准则,利用动力学模型验证了结构参数设计准则的有效性,并研究了需求构型的触发条件;最后,针对不同起竖节数的设计需求,设计了相应节数的仿生起竖结构.研究结果表明,结构参数设计准则能够使得多节仿生起竖结构达到需求的仿生起竖构型,并在需求构型处保持稳定平衡;此外,定义了初始激励与起竖构型的比例系数单调性变量,并基于仿生起竖结构不同稳态的吸引盆揭示了上述变量构成的构型触发准则,这为仿生起竖结构的构型切换提供了理论依据.本文提出的仿生起竖结构对仿蠕虫机器人的功能拓展具有参考价值和指导意义,也是对仿生设计理论的进一步完善.

摘要：针对现有单孔腹腔镜柔性手术机器人刚度不足,负载能力较差及灵活度低等问题,提出了一种切口式连续体机器人机械臂构型设计方案。考虑柔性机器人工作刚度和灵活性难以同时提高这一瓶颈,结合分层理论(Layerwise theory, LWT)及拉格朗日乘子法对模型构造及尺寸参数进行优化。基于Ⅰ型裂纹模型和应力强度分析,对绳驱机器人的牵引线位限方式进行优化。利用切口式机器人切口间隙和连续体最大可弯曲角度θ的关系图以及有限元分析,提出了切口间距优化策略。通过样机测试验证了各优化方案的可行性和有效性。实验证明,优化后的实验机械臂样机在0.5 N的弯曲反向负载下末端偏移误差在0.5 mm内;在柔性体弯曲角90°的范围内,末端负载0.5 N的偏移量均值为0.27 mm。实验表明提出的优化夹层切口式机器人具有较大的刚度和负载能力,在实际手术场景应用中,柔性体末端受拉或负载器械时仍能够满足所需的姿态要求。

摘要：从机器人的运动特征、稳态平均速度和波动特性3个方面,对仿蚯蚓移动机器人的离散步态控制策略和相位差控制策略进行比较研究.首先,通过学习蚯蚓的形态学特征,基于舵机-弹簧钢片复合结构,设计并制作了可以执行拮抗变形的仿蚯蚓机器人单元,并将其串联得到一个8单元仿蚯蚓移动机器人.以该机器人为平台,从理论和实验角度研究了机器人在离散步态控制和等相位差控制下的平均速度和运动特征.研究发现,对于2种控制策略,实验得到的平均速度都与理论预测定性吻合,但机器人单元在运动过程中有可能发生显著的向后滑动,使得实验得到的平均速度低于理论预测的平均速度.随后,从波传播的角度对2种控制策略进行了比较.2种控制策略都使得机器人单元的变形以波动的形式沿机器人进行传播,传播方向与机器人运动方向相反,与蚯蚓的后退蠕动波机理保持一致.对于离散步态控制,波传播的波形、波速、波长和周期都与步态参数密切相关;对于相位差控制,波形和周期都由作动规律决定,不能通过相位差进行调节,但波速和波长与相位差成反比.从控制效果来看,机器人在最优的等相位差控制模式下可以实现更高的平均速度,且与蚯蚓的连续特征保持一致,具有一定的优势.

摘要：相比于单轴式膝关节,四连杆膝关节具有更好的仿生特性和运动安全性,因而在下肢假肢研究中得到广泛关注.本研究以一款四连杆膝关节被动假肢为研究对象,主要关注足-地交互作用力以及膝关节单边接触力等强非线性因素对下肢假肢步态的影响.为此,采用Kelvin-Voigt模型和库伦模型描述足-地接触力和摩擦力,并采用Kelvin-Voigt模型描述膝关节单边接触力,从而基于第一类拉格朗日方程建立假肢动力学模型.本研究以步态实验测得的髋关节运动数据为模型的驱动信号,针对假肢的步态特征进行了数值分析.计算结果显示,当膝关节液压阻尼器的刚度较小时,强非线性作用力会使假肢产生显著的亚谐波响应,进而导致步态周期失谐.进一步研究发现,提胯行为能够避免步态周期失谐,这也为残疾人行走时的提胯等代偿行为提供了一种新的力学解释.为了评价假肢步态与健康人实测步态的一致性,本研究进一步定义了步态相关系数并分析了膝关节液压阻尼器刚度、阻尼参数对相关系数的影响.结果表明,通过合理的刚度、阻尼参数设计,两者步态的相关系数可达到0.9以上,这为四连杆膝关节被动假肢进一步优化提供了理论支撑.

摘要：介入栓塞治疗广泛用于肿瘤靶向治疗、抗器官功能亢进和止血等手术。栓塞剂注射过程中,医师需要在X线照射环境下工作;而且,栓塞剂注射操作很大程度上依赖于医生的经验与手感,栓塞剂的过量注射会导致反流,造成异位栓塞并引发严重的并发症。作为降低射线照射、提高介入栓塞治疗成功率的有效手段,栓塞剂注射机器人受到高度期待,但如何决策栓塞剂的推注流速,是一个尚待解决的问题。本文在流体力学仿真和实验的基础上,建立了可避免反流的平均动脉压-注射流速边界曲线模型,为栓塞剂智能注射系统的控制提供了设计依据,并且搭建了注射系统的体外实验平台,进行了验证实验。结果显示,在反流临界流速曲线模型的引导下设计的栓塞剂注射流速曲线,可有效避免栓塞剂反流,同时缩短栓塞剂注射时间,超出该模型的流速限制将引发正常血管被栓塞的风险。本文确认了依据反流临界流速曲线设计栓塞剂注射流速的有效性,可在实现栓塞剂的快速注射的同时避免反流,为栓塞剂注射机器人的设计提供了依据。

摘要：围绕护理机器人的人机安全接触和轻量大负载需求,提出了一种2R耦合驱动关节构型,并解决了耦合驱动动力学建模问题,为高性能运动控制器搭建提供基础。该关节设计紧凑、负载能力强,两个伺服电机经过三级减速后,通过差动结构实现两自由度耦合输出,且表面光滑适宜与人接触。通过运动学分析了耦合驱动的原理,利用拉格朗日法建立了耦合驱动动力学模型。为解决速度零点摩擦力不连续,造成基于模型的控制器运动性能变差的问题,引入了连续可微摩擦模型,利用连续可微特性采用灰色模型提高了辨识精度。研制了机器人关节样机,进行了关节解耦、摩擦数据采集、参数辨识及轨迹跟踪等试验,结果表明所设计的耦合驱动关节可以完成周转、俯仰两个转动自由度的单独及耦合运动,并且输出扭矩与重量的比值达到了143.6 N·m/kg,可以满足轻量大负载护理需求,同时基于所建立动力学模型的运动控制可以显著提高轨迹跟踪的准确性。

摘要：模块化可重构机器人由于其构型多变,运动形式丰富等特点,可以在非结构化环境或未知环境中执行任务,在最近几年迅速成为机器人研究领域的前沿和热点.模块化可重构机器人在军事、医疗、教育等众多工程领域具有广泛的应用前景,其典型代表包括仿生多足模块化机器人、模块化可重构机械臂、晶格式模块化机器人等.模块化可重构机器人丰富的构型设计、多样的连接特征、不断拓展的应用范围,给动力学建模与控制带来了很多挑战和机遇.本文首先阐述了模块化可重构机器人的研究背景和意义,并概述了其构型分类与设计、构型描述与运动学建模方法.随后,本文系统回顾了模块化可重构机器人动力学研究中相关问题的最新进展,包括:(1)系统整体动力学建模;(2)结合面以及对接机构动力学建模;(3)基于动力学模型的控制方法.本文最后提出了模块化可重构机器人动力学研究中若干值得关注的问题.

摘要：针对多移动机器人聚集的路径规划与控制问题,本文提出了基于改进快速行进平方法的路径规划策略.首先,运用分段函数改进了速度图,实现了更安全、更高效的路径规划,可以将快速行进网格地图上的速度映射到真实机器人速度上,并且减少传统快速行进平方法在回溯路径过程中产生的冗余路径;接着,针对多移动机器人聚集过程总能耗最小、聚集点附近空间最大、聚集队形约束下的聚集过程总能耗最小三种任务需求,分析设计不同的目标函数,给出多移动机器人的聚集点和对应规划路径,展示本文方法的有效性以及在不同场景下的适用性.最后,在车辆动力学模型基础上,使用模型预测控制以改进后的快速行进网格地图上的速度作为机器人参考速度进行了轨迹跟踪仿真实验,实现结果显示跟踪误差减小,验证了本文改进速度场的有效性,可适用于真实环境下多移动机器人聚集路径规划与控制.

摘要：针对多关节下肢康复机器人非线性人机交互作用力影响训练过程中舒适度和安全性的问题,提出一种人机耦合动力学建模方法和主动柔顺控制策略。结合脑卒中发病初-中期康复训练特点和降低髋关节输出功率的要求,确定出坐卧式下肢康复机器人自由度配置、自平衡结构原理,并完成具体模型设计。基于简化的人体肌骨模型,考虑人机耦合方式,确定出人机交互作用力模型,进一步给出考虑自平衡结构影响的人机耦合动力学模型。引入环境刚度模拟患者踩踏在不同路面的接触力效果,利用动力学前馈进行关节期望力矩补偿控制,并通过李雅普诺夫定理判定控制系统的稳定性。通过实验验证了轨迹跟踪、力跟踪的准确性,进一步通过临床试验,92.2%的脑卒中患者病情得到缓解,验证了研究内容的可行性和安全性。

摘要：当前以深度学习代表的人工智能技术所能解决的问题往往需要具有大量可以借鉴学习的训练集,同时要求所获取的信息是完备的.但在复杂时变的真实应用环境中,采集到的数据往往包含大量噪声与不确定性,且仅包含环境的局部信息,导致了基于深度学习的人工智能应用的局限性.而在同样环境下,人类却往往可以依靠直觉做出较为迅速且适宜的判断,这为我们发展新的人工智能理论解决上述问题提供了灵感.本文系统地对人类直觉的概念、机理、类别等内容进行论述,分析了不同学科已有相关研究进展及存在的不足.在此基础上,提出了机器直觉这一新的交叉学科研究方向,并给出了实现机器直觉的基本准则,以及通过让机器实现类似甚至超过人类的直觉能力、赋予机器洞察力与创造性的研究目标.本文尝试设计了机器直觉的通用整体架构,确定了全息感知、直觉认知、直觉决策和博弈行动几个主要功能模块的基本原理和内涵.最后,从脑科学、认知科学、人工智能等多学科交叉研究角度,对机器直觉的应用与未来研究方向进行了展望,为后续展开机器直觉的研究提供方向性指引.