摘要：力/触觉反馈是虚拟现实交互技术中一种重要的交互形式。磁流变液执行器是最具发展潜力的力/触觉反馈装置。提出了一种适用于手指力反馈的便携式圆筒磁流变液执行器的设计方法,导出了基于B ingham塑性模型的阻力矩公式,分析了磁流变液特性和执行器结构参数对阻力矩的影响,并通过有限元分析进行优化设计,执行器的直径为31 mm,高度为38 mm,重200 g。实验测定了阻力矩和输入电流之间的关系,并采用二次多项式拟合。输入电流为0.6 A时,执行器产生的阻力矩为255 ***,结果表明,该执行器产生的阻力矩足以阻止手指抓取虚拟物体。

摘要：针对现有力反馈装置安全性和灵巧性不足的问题，设计了一种适用于手指力反馈的小型三圆盘式磁流变液（MRF）执行器。导出了基于Bingham塑性模型的力矩公式，分析了MRF特性和执行器结构参数对力矩的影响。采用Maxwell软件对执行器进行了有限元分析。执行器的直径为32mm，高度为18mm，重120g，输入电流为1．2A时产生的力矩为260．7N·mm，达到了操作者抓取虚拟物体所需的抓取力。建立了不包含磁滞特性的二次多项式模型和适用于电流随机变化且包含磁滞特性的分段线性模型，当电流变化区间为0～1．2A和1．2～0A时，二次多项式模型的残余标准差分别为8．2N·mm和11．2N·mm，分段线性模型的残余标准差分别为5．9N·mm和6．2N·mm，分段线性模型的精度高。

摘要：现有机器人辅助抗阻训练方法大多是运用易受噪声干扰的患肢主动作用力或表面肌电信号直接进行治疗控制器设计,且在设计过程中未能同时将机器人连续变量运动控制与医师离散事件决策控制这种混杂特性融于统一框架内,具有一定的局限。针对上述问题,提出一种基于阻抗辨识和混杂控制的机器人辅助抗阻训练方法,该方法首先根据患肢主动作用力和实际运动位置在线辨识患肢时变生物阻抗;其次,运用混杂控制理论建立机器人辅助抗阻过程系统模型,根据患肢生物阻抗变化分别定义连续系统区域切换离散事件及离散系统控制状态,并基于混杂自动机设计离散事件决策控制器;最后,选用美国Barrett公司WAMTM柔顺机械臂构建康复试验系统,对所设计控制器进行有效性验证。试验结果验证了阻抗辨识和混杂控制理论应用于机器人辅助抗阻训练过程的有效性和实用性。

摘要：针对小型四轮农用拖拉机变速箱换挡阻力呈现时变、非线性特性,且换挡后需要松开换挡杆的特殊要求,设计了拖拉机驾驶机器人换挡机械手,该机械手为关节型结构,采用D-H方法建立机械手坐标变换矩阵,对机械手进行运动学分析,并通过拉格朗日动力学方程建立简化机械手的动力学模型。利用Solid Works建立换挡机械手虚拟样机模型,并采用多体动力学仿真软件ADAMS进行运动学和动力学仿真;为保证换挡平顺性,设置机械手末端执行器与拖拉机变速杆端部间位移小于50 mm为约束条件,将换挡过程中末端执行器抖动速度绝对值最小作为目标函数进行参数优化,当换挡机械手长度为220.0 mm、末端高度为393.25 mm时目标函数最优,此时机械手末端执行器抖动速度平均值较优化前减小28.18%,位移和加速度平均值变化率分别为49.55%和52.05%,位移、速度和加速度的峰值变化率分别为60.22%、66.24%和81.66%,通过仿真初步验证了所提机械手参数优化及所建模型的合理性和科学性。最后,在JINMA 300E型拖拉机上对优化后的换挡机械手进行实验研究,实验结果表明机械手可实现不同挡位的换挡动作,平顺性好,并可模拟拖拉机驾驶员换挡完成后对变速杆的松手动作,有良好的工程和应用价值。

摘要：传统欠驱动旋翼无人机的动力单元推力方向平行,无法在不改变姿态的情况下产生横向推力,限制了飞行机械臂的交互能力与应用场景。针对此问题,本文设计了一种全驱动旋翼飞行机械臂,通过倾斜动力单元的安装角度改变推力的方向,根据该结构设计了控制分配矩阵进而验证其全驱动特性,并从控制结构上实现了位置与姿态的独立控制;提出了用于接触作业的飞行机械臂的接触力控制方法,将接触检测任务分为接近阶段与移动接触阶段,采用力/运动混合控制器完成接触面法线方向上的力控制。户外实验结果表明,所设计的全驱动旋翼飞行机械臂实现了稳定飞行和移动接触作业,与欠驱动平台相比,飞行过程中的位置移动不依赖于姿态改变,姿态角稳定在±1:5°以内,且在移动接触过程中实现了接触面法线方向上的接触力控制。

摘要：为提高支持力/触觉反馈的虚拟肝脏手术仿真系统的精度和实时性,提出了一种基于物理意义的平行菱形链连接变形模型.该模型中由于各个链结构单元中菱形的长度等比例变化,计算量小,改变链结构单元中菱形的长度和夹角就可方便地对不同的柔性体进行建模.同时还讨论了系统的结构设计、柔性体形变计算、快速碰撞检测和实时力/触觉反馈操作等.基于6-DOF Delta手控器建立试验平台,并结合力/触觉反馈计算实现了虚拟肝脏手术的拉拽、按压等变形仿真.实验结果表明,该系统力/触觉感觉平稳、模拟效果逼真,能够满足虚拟现实系统对精细作业和实时性的要求.建立简单逼真的物理变形模型和精确快速的碰撞检测算法,有助于提高虚拟肝脏手术仿真系统的性能.

摘要：睡眠呼吸暂停综合征(Sleep Apnea Syndrome,SAS)是一种发病率高,具有潜在危险性的疾病。其分析诊断主要依赖于多参数自动监测仪,其中呼吸参数是重要的检测参数。本文研究了基于温感式检测法的检测原理,分析了传感器的动态特性,探讨了干扰产生的原因,提出了干扰的抑制方法,设计了相关的检测电路和数据采集电路,实现了呼吸参数的检测。

摘要：提出了一种大输出阻尼力矩,低初始阻尼力的小体积多片式磁流变液阻尼器的设计方法。阻尼器内部的导磁元件、隔磁元件和间隙中磁流变液构成闭合的蛇形磁路。针对漏液的问题采用铁磁密封的设计思想,显著减小了转轴处的摩擦力。基于Bingham塑性模型分析了磁流变液的力学特性,导出了阻尼器的力矩模型,采用ANSYS Maxwell软件对阻尼器进行了有限元分析,验证了磁路的准确性,并在原始设计的基础上对阻尼器的结构进行了优化,研制出了一种小体积磁流变液阻尼器。在自主搭建的实验平台上进行力矩测量实验和响应时间测量实验,实验结果验证了该阻尼器具有大输出力矩,低初始阻尼力和低响应时间的特点。阻尼器的直径为33.6 mm,高度为21.6 mm,重约200 g,当输入电流为1.2 A时,产生的力矩为350 N·mm,达到了操作者抓取虚拟物体所需的力矩。

摘要：常规旋翼无人机大都采用共线设计,只能产生竖直方向的推力,极大地限制了旋翼无人机在涉及物理交互任务时的应用。针对此问题,研究了一种双倾斜式全驱动六旋翼无人机,采用旋翼转轴非共线的设计方法,可以实现位置与姿态的独立控制。提出了一种抑制抖振的改进型积分滑模控制器,并与PID控制器、积分反演控制器和传统积分滑模控制器进行对比。仿真结果表明,所提出的改进型积分滑模控制器能够实现旋翼无人机位置与姿态的独立控制,并能够有效克服自身模型参数的不确定性以及外部的风场扰动完成定点悬停与复杂的轨迹跟踪。实物样机实验结果表明,该设计的全驱动旋翼无人机在长距离横向运动时能够保持水平姿态,俯仰角和滚转角误差控制在±2°以内。

摘要：针对作业型飞行机器人执行抓取、投放等作业任务时飞行机器人与被抓取目标之间难以相对定位的问题,提出了一种视觉引导的作业型飞行机器人设计方法.首先,介绍作业型飞行机器人系统的整体机构设计,建立飞行器和空中作业装置的运动学和动力学模型.然后,根据针孔成像模型,在ArUco标记尺寸已知的前提下,通过机载的单目摄像头检测被抓目标上的ArUco标记,利用n点透视(PnP)算法解算摄像头位姿,进而利用摄像头位姿信息对飞行器和作业装置进行分级控制.最后,通过静止实验和户外悬停实验验证了位姿估计算法的有效性,并通过自主抓取直径2cm、质量100g的管状物体进一步验证视觉引导的有效性和合理性.