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香港LHC机械工程学报》推荐阅读iROBT专题丨i推荐

发布时间:2018-02-26 21:28                 点击:

  是一种新型柔性机器人,因其使用柔顺关节代替传统刚性转动副进行传动,将从根本上消除运动副的间隙、摩擦、冲击及加工和安装误差等固有缺陷,能够有效提高系统运行精度。并联疗及微细操作等领域获得广泛应用。

  北京工业大学的田浩、余跃庆以含有开槽型柔顺关节的并联机器人为研究对象,对其动力学及轨迹跟踪问题进行研究。根据柔顺关节特性,他们建立系统分析模型,应用拉格朗日方法建立系统动力学方程。为补偿系统具有的不确定性,课题组还分别设计趋近律上界滑模控制策略和径向基函数(Radial basis function, RBF)神经网络趋近律滑模控制策略,基于Lyapunov理论证明了系统的全局稳定性。应用S型速度规划曲线,分别给出直线轨迹和圆轨迹的运动规划算法。他们的仿真结果表明,系统模型及控制策略能够有效实现柔顺关节并联机器人的轨迹跟踪。

  脑卒中患者运动功能障碍的康复程度直接影响到患者的生活质量,抗阻训练作为患者进入恢复期后增强肌力的重要康复措施,将对患者肌力恢复产生重要的影响。近年来,国内外相关研究机构将机器人技术应用于康复医疗领域,竞相开展了康复机器人技术的研究。

  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,香港LHC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,南京邮电大学的徐国政、陈雯、高翔、宋爱国提出了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,他们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,课题组选用美国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了有效性验证。他们的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。

  基于张拉整体结构设计的可变结构体机器人是一种新型轻量级、可变形移动机器人。传统移动机器人多利用刚性连杆制造,柔韧性差,尺寸固定,难以通过小于自身尺寸的特殊地形;且由于结构重量重、刚性大,在人机交互时容易对人造成伤害,在危险环境中容易造成机械损伤,使机器人失去行动能力。而柔性机器人由柔软材料构成,可通过自身变形或被动变形通过小于自身尺寸数倍的地形环境,且可吸收外力伤害,对自身进行保护,亦不会对人造成伤害。但受材料性能限制,目前存在的可移动柔性机器人大多尺寸较小,移动缓慢。通过引入建筑学张拉整体结构概念,解决了柔性机器人尺寸设计的问题。可变结构体机器人可产生多类步态,滚动步态稳定性高于跳跃步态,速度优于蠕动步态,适用于平整地形下的快速前进。

  可变结构体机器人是一种基于张拉整体结构设计的新型移动机器人,由刚度较大的压杆和弹性较大的拉索构成,利用自身形变产生滚动。然而由于缺乏必要的参数分析,目前其结构设计多基于经验,滚动控制往往采用固定驱动参数,未考虑材料参数与驱动参数对机器人易滚动性、能耗、结构可靠性等特性的影响;而张拉整体结构内力耦合度高,传统动力学分析参数影响极其复杂。因此,为获得低能耗、易滚动且结构可靠的可变结构体机器人,中国科学院的杜汶娟、马书根、李斌、王明辉、平井慎一将重力矩、临界驱动长度和驱动力作为性能参数,他们描述了可变结构体机器人的上述三项性能。通过有限元法分析方法,课题组建立了驱动参数、材料参数与三项性能参数的关系。在此基础上,提出参数优化方案,指导参数选择。最终,他们通过试验验证了结果的正确性。

  随着机器人应用从工业领域向医疗、服务、娱乐、教育等行业不断地扩展和深入,对机器人的运动控制也提出了新的要求。传统的工业机器人对运动控制的效率和精度有严格要求,往往需要专业人员进行复杂的编程和校准,才能满足最终的使用要求。然而,对家庭服务机器人等其他领域而言,面向的是普通人群,使用者和服务对象往往缺乏相关的专业背景知识,因而,机器人操作的简单易用性、人机交互能力、运动安全性等方面的要求尤为突出。

  为了使人机交流更加简单、自然、友好,国内外研究人员在人机交互方式方面进行了广泛而深入的研究,提出语音、手势、眼动、人体姿态动作等种类更多、更加自然的人机互动方式。在基于人体姿态动作的交互方式中,根据控制对象,相关研究主要有以下三类:①移动类机器人的控制,如基于手势的智能轮椅的运动控制、基于人体手臂动作的四旋翼飞行器的运动控制等;② 仿人机器人的控制,由于仿人机器人与人类肢体具有高度的相似性,可以通过人体动作示教,实现仿人机器人上下肢的运动控制,研究内容集中在机器人关节角度映射、整体平衡性问题以及防碰撞等方面;③多自由度机械手臂的控制,在分析人体和机器人差异的基础上,侧重于的关节运动匹配以及控制策略等方面的研究。

  上海大学的王梅、卢熙昌、屠大维、于远芳、周华以关节式机器人为对象,进行机器人仿人运动研究。从人体动作姿态识别、人-机动作映射、机器人运动控制等方面,详细阐述机器人仿人运动算法。他们提出了人体动作姿态识别方法,利用Kinect 传感器捕获人体运作的关节点位置信息,在建立人体基准坐标系的基础上,为了得到描述肩、肘运动的动作信息,计算人体手臂动作的关节角度,实现人体动作姿态的识别。在分析人体肩、肘等关节和机器人机构差异性的基础上,他们还建立人体手臂与四自由度机械手臂的人-机动作映射规则。针对机器人自由度较少,无法完全复现人体运动的情形,分析、比较不同控制策略的优缺点和适用性,寻求适合机器人操作的复现控制策略。关节式机器人接收运动控制指令,执行相应的关节运动,从而实现机器人仿人运动。课题组的相关试验验证了人体动作姿态识别和机器人仿人运动控制算法的有效性。他们的研究成果对于提高机器人控制和操作的简单易用性、提高人机交互能力具有借鉴意义,对于扩展机器人应用领域具有实践意义。

  并联机器人属于多种能量形式(例如:机、电、液、气)耦合的多体机器人系统,传统以分析力学原理为基础的动力学建模方法,如牛顿-欧拉法、达朗伯-拉格朗日方程法、虚功原理法和凯恩方法等,从理论上已经基本解决了并联机器人机械本体单能量域动力学建模问题,若想采用这些方法得到多能域并联机器人系统动力学模型,也主要局限于对各能域子系统分别列写动力学方程,通过中间变量联立求解,这一过程相当繁琐,易出错、有误差,且不容易得到适合于现代控制理论的状态方程。

  燕山大学的李永泉、宋肇经、郭菲、单张兵、张立杰采用旋量键合图建立球面2-DOF 过约束并联机器人机电两种能量并存系统动力学模型,该方法相对传统力学原理动力学建模方法的优点是建模过程规则化,能够得到适合于现代控制理论的空间并联机构状态方程。所建动力学模型只有36个方程,但由于被动过约束(公共约束和冗余约束)和主动过约束(冗余驱动)的存在,共有43 个未知量需要求解。为此,针对被动过约束问题,分析三个分支变形引起末端相对于球心O 的位移量,增加了6 个变形协调补充方程;针对主动过约束问题,提出了采用输入力优化的方法,增加了1 个补充方程,最终得到了该机器人完整的多能域系统动力学全解模型。通过数值算例,验证了该方法的可行性和合理性。该方法可以推广到其他包含机、电、液、气的多能域过约束并联机器人系统,为该类多能域机器人系统动力学建模分析提供了一种新的思路。

  由于四足机器人的环境适应能力强,其在被设计之初就是用来与复杂地面环境进行交互的。在与地面接触的过程中,机器人受到竖直和水平两个方向的力。竖直方向主要是机器人足端与地面的法向冲击力,而水平方向则主要是足端与地面的摩擦力。由于触地冲击的存在,机器人的竖直方向稳定性将受影响,从而使得机器人重心上下波动。而如果水平方向摩擦过大,将导致足端打滑,影响身体的水平移动能力,更严重的有可能带来机器人失稳。因此,如何提高四足机器人在竖直和水平方向的稳定性成为足式机器人稳定行走的重要内容。

  足式机器人在行走过程中,足端与地面之间的法向冲击力将影响机器人的在垂直方向上的稳定性。被动柔顺可以减小垂直冲击力但同时可引发平台持续震荡。针对该问题,北京理工大学的何玉东、王军政、柯贤锋、汪首坤设计了基于足端力反馈的主动柔顺控制器,分析其对机器人垂直稳定性的影响。机器人由于机械间隙、步态、路面等因素将出现足端打滑现象,导致机器人水平方向失稳。引入摆腿回缩技术,分析摆腿回缩对机器人水平稳定性能的影响。仿真和液压足式机器人行走试验验证提出方法的有效性,提高了机器人行走过程中的垂直和水平方向稳定性。

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