基于原子力显微镜的机器人化纳米操作系统研究

自从1986年G. Binnig等发明原子力显微镜（AFM）后，纳米科技研究得到了快速发展，纳米科技研究的最终目标之一是从纳米甚至分子与原子尺度上制造功能器件或系统，而实现此目标的使能技术是具有能在纳米尺度上进行精确可控操作与装配的方法、技术与装置。为此，学者们对基于AFM的纳米操作进行了大量研究，但由于对纳米尺度上物体的受力与运动方式等物理机理认识的不足、AFM探针精确定位技术的缺乏、以及操作过程中实时反馈信息的缺乏，使得操作者无法对纳米操作的中间过程及最终结果进行精确控制，纳米操作的成功率、效率及灵活性低下，从而严重阻碍了基于AFM的纳米操作的发展与应用。对此，本文在分析目前研究现状及存在问题的基础上，结合机器人学理论与技术，研制了基于AFM且具有实时力/触觉及视觉反馈的机器人化纳米操作系统，通过对纳米环境中物体的受力与运动方式进行分析与建模，从理论与实验上对AFM探针的驱动与精确定位、实时三维纳米力/触觉及实时纳米视觉信息的反馈与控制等关键问题进行了深入研究。 在AFM探针驱动与精确定位方面，本文在对压电陶瓷驱动器电压-位移的迟滞/非线性特性进行理论与实验分析的基础上，提出了基于复现扫描轨迹的驱动方法，并对驱动器运动学耦合误差、探针悬臂变形引起的针尖偏移误差进行了定量分析与补偿，从而获得了很高的探针定位精度。 在实时三维纳米力/触觉信息反馈与控制方面，本文在对探针-微粒-基片之间各种纳米力进行初步理论分析的基础上，将AFM探针作为三维纳米力传感器，通过对探针受力-悬臂变形进行建模，并根据实时检测的经光学杠杆放大后的悬臂变形信号获得了探针所受三维纳米力的大小，将此三维力经比例放大后送入力/触觉设备，操作者通过其操作手柄可实时感受到探针所受的力/触觉反馈信息，并据此反馈信息对施加在探针上作用力的大小及方向进行在线调节与控制。 在实时纳米视觉信息反馈与控制方面，本文利用增强现实技术，通过对微粒的动力学建模得出操作微粒所需施加在探针上的作用力大小，并结合实际施加在探针上的力信息来判断微粒能否运动；通过对微粒进行运动学建模得出其运动模式，再结合探针的实际位置信息得出微粒在探针操作下的实时位置与姿态（或刻画时刻痕的位置与尺寸），以此对视觉界面上显示的微粒位置与姿态及纳米环境进行局部更新，实现了微粒运动过程及纳米环境变化的实时视觉反馈，操作者借助此视觉反馈信息可对探针的作用位置及运动轨迹进行实时调节与控制。 在上述研究基础上，研制成功了基于AFM且具有实时力/触觉及视觉反馈的高精度机器人化纳米操作系统。利用该系统，操作者不仅可以实时感受到探针与微粒或基片之间的相互作用力，还可以实时观察到微粒的运动过程及纳米环境的变化，并据此在线控制探针的作用位置与运动轨迹、以及施加在探针上作用力的大小与方向，从而实现了对纳米操作过程及最终操作结果的精确控制，大大提高了纳米操作的成功率、效率及灵活性。纳米刻画和多壁碳纳米管的操作实验验证了该机器人化纳米操作系统的有效性。 另外，本文针对目前纳电子器件装配制造方面的一个关键技术难题，探索结合了介电电泳与本机器人化纳米操作方式（粗、精两级操作方式），实现了单根碳纳米管与微电极的精确定位装配与电连接，为装配制造基于单纳米管/线的纳米器件提供了一种新颖可行的方法与技术。 本文的研究工作为基于AFM的机器人化纳米操作提供了可以借鉴的理论与实验经验，有助于推动基于AFM的纳米操作与制造技术的发展。

可重构轮手一体机器人的控制及群体构形研究

可重构机器人顺应从结构环境下定点作业向非结构环境下自主作业的发展要求，能够更好的应用到环境复杂、危险性高、人类无法进入的场合完成作业。可重构机器人技术的发展拓展了机器人的应用空间，使其在星球探测、灾难救援、军事领域等方面均有良好的应用前景。因此，可重构和模块化机器人系统的研究成为机器人研究领域的热点问题。本论文的研究内容是围绕“863”计划项目“可重构星球探测机器人的研究”展开的。立足于可重构和模块化中的关键技术，针对一种新型可重构轮手一体机器人的控制及其群体构形理论进行深入的研究。研究内容主要包括模块化分布式控制系统、机器人群体体系结构、群体构形的表达和变换、构形重构优化和构形运动规划等。为了实现可重构轮手一体机器人的多关节机械臂、手爪、轮体的协调作业，实现控制的独立性、实时性，提出基于分布式控制器和CAN总线的模块化控制结构。以功能为划分依据，将控制系统分解成具有不同功能、由独立控制器执行的模块化子系统；采用分布式控制方法，使各子系统独立、同步地执行对应任务。在规划控制子系统和运算子系统中（即两个独立的控制器中）分别执行正向运动学运算和逆向运动学运算，实现轨迹规划的分布式计算。对不同控制结构和控制方法中的系统时序进行分析和对比，结果表明模块化分布式控制结构和分布式计算方法在系统执行时间方面具有性能优势。通过仿真系统和功能样机实验对模块化分布式控制系统和分布式控制方法进行验证。针对可重构轮手一体机器人群体中存在单个机器人和构形两种运动单元的特点，提出具有动态层次结构、融合构形控制和协作控制的体系结构，具有层次动态化与控制功能模块化的特性。以控制目标为依据，将体系结构分为三层：群体控制层、构形控制层和模块控制层。根据群体系统中作为控制目标的运动单元的形式，动态地改变层次结构及其功能，实现构形控制、多机器人协作控制、机器人运动独立控制。针对可重构机器人重构目的，提出矢量构形概念，将构形研究内容扩展到不但包括构形的拓扑结构，也包含构形的运动趋势方向和组成构形的各模块的姿态方位及连接关系。针对现有构形表达方法对可重构轮手一体机器人这类独立操作型模块、模块间具有多关节连杆的可重构机器人构形表达的局限性，创新性地提出基于模块状态向量MSV（Module State Vector）和构形状态矩阵CSM（Configuration State Matrix）方法，实现该类可重构机器人构形的表达和变换。模块状态向量和构形状态矩阵中每个值都对应机器人模块或群体构形的某种状态信息，具有无冗余数据、所需存储空间较小等特点。并且这种方法支持变换运算和操作，根据变换规则和数学变换可以表达、触发模块的行为运动和构形的重构。根据重构对象的初始状态，将构形重构分成组合重构和变换重构两类。基于模块状态向量和构形状态矩阵，提出以工作负荷为优化目标的构形组合重构优化算法、以姿态方位工作负荷和连接工作负荷的组合为优化目标的变换重构优化算法，通过重构优化结果获得模块在构形重构中状态对应变换关系，作为构形重构规划的基础。针对构形重构中的模块状态变换，提出基于最小能耗的模块机械臂关节运动顺序规划方法，通过机械臂转动的能量损耗计算，选择能量功耗最低时的机械臂关节运动顺序作为规划结果。提出融合时序关系的行为树，采用改进深度优先搜索算法遍历行为树获得构形运动或重构的行为运动序列和时序关系；构建语义逻辑系统实现参数化的构形运动行为及其时序的描述。采用仿真计算和机器人仿真系统对机器人重构和运动的优化、规划方法进行演示和验证。

机器人化月表采样器的研究

月球是离地球最近的行星，了解开发月球是人类认识太空的第一步。月壤是月球的重要组成部分，也是人类认识月球的基本切入点，现在许多国家都在开展无人探月活动，因此设计一种无人操作的能够适应月表环境的机器人化月表采样器将是我们认识月球地质状况的关键。应用于月表探测的机器人化月表采样器在作业时往往面对极为复杂的苛刻的月表环境。传统的采样器受其自身的机械结构限制，一般不能够适应这么苛刻的月表环境，或者是不能达到预定的采样目标。具有多种采样形式的月表采样器的出现，解决了这一问题。国外自50年代开始研究机器人化行星采样器，并且已经研制出了许多样机。目前已有的行星采样器存在着只具有单种采样形式，或者受着陆舱体积的限制不能够进行深层采样等不足，因此都不能满足探月活动中要求越来越高的月表样品采集活动。本文叙述了行星采样器的研究和发展现状，并设计了一种用于月表探测时进行月壤采集的多功能机器人化月表采样器。该采样器具有三种针对不同月表样品的采样形式：夹取、铲取和钻取，根据采样的对象的不同能够自动改变采样方式，整个机械系统由仿生蚌式铲和转塔式钻机两大部分组成，仿生蚌式铲具有多种采样形式，转塔式钻机解决了空间受限的情况下采集深层样品的问题，整个系统具有六个运动副。机器人化月表采样器采用了基于CAN总线的集中式控制系统。本文在详细介绍机器人化月表采样器机械系统设计的基础上，对机器人化月表采样器对月壤的采样过程进行了数学建模，以便于将来对采样器的可靠性进行改进，并且减少设计费用和提高了终端产品的性能。通过采样实验验证了机器人化月表采样器机械结构确实满足预期采样目的。最后，本文对机器人化月表采样器的发展和后续研究工作进行了展望。

基于关节限位的自治水下机器人机械手系统运动规划研究

对自治水下机器人搭载的四功能水下电动机械手进行了简要描述。考虑到自治水下机器人机械手系统的运动学冗余,将关节限位算法用于系统逆运动学求解,避免载体大幅度姿态变化。利用Matlab仿真表明该算法在解决系统冗余的同时有效的限制了关节位移。

基于模糊推理水下作业系统运动控制研究

水下作业系统是运动学冗余系统,本文将模糊推理方法融入基于任务优先运动学控制算法,对系统载体与机械手进行协调运动分配,同时对系统多个任务进行优化。通过带有3自由度水下机械手的水下作业系统进行算例仿真研究,说明运动控制算法的有效性。

供排气管对接机械手的机构研究与参数优化

根据水下救援作业中连接供排气管的需求,失事对象救生围壁的结构形式,遵循水下机械手机构选型原则,设计了一种专用的六功能气管对接水下机械手,并从机械手工作空间和轻量化要求两方面建立了机械手的数学模型,对其机构参数进行了优化设计。最后对优化结果进行了分析和工作空间的仿真。结果表明该机械手的设计能满足供排气管对接作业要求,达到了预期目的。

基于栅格地图的多化学羽流源定位

本文研究了移动机器人在湍流环境中定位多个化学羽流源的问题。利用粒子随机行走方法建立动态羽流模型。在此环境中机器人进行梳状搜索并采集羽流数据,使用一种基于后验概率独立假设的改进贝叶斯算法融合这些传感器数据建立一张羽流源位置的概率地图,地图中具有高概率值的栅格指出了羽流源可能的位置。仿真结果说明了该方法的有效性,通过与标准贝叶斯算法的比较说明了该方法优点。

水下机器人-机械手系统构建与研究

描述了一水下机器人——机械手系统研究平台的搭建,详细介绍了三功能水下电动机械手的设计与实验,给出了载体分系统的设计结果,利用Matlab工具箱和M函数构建了系统仿真模型,可以有效地对系统规划和控制算法进行验证(包括分别对载体分系统和机械手分系统的控制),可为进一步的现场试验提供指导和方法验证。

基于输入和机械手扰动补偿的水下机器人控制实验研究

以搭建的自治水下机器人-机械手系统为对象,通过水池实验分析了载体分系统的响应特性。针对传统的反馈控制在载体控制中的不足,将输入补偿项和机械手扰动补偿项作为载体控制的前馈项,设计了水下机器人复合校正控制器。水池实验验证了方法的可行性和有效性。

自治水下机器人机械手系统协调运动研究

简单描述了自治水下机器人搭载的三功能水下电动机械手的设计,鉴于自治水下机器人-机械手系统运动学冗余、内部可能干涉以及载体圆筒式外形等特点,将惩罚调节因子引入系统运动学伪逆矩阵,保证了关节在允许范围内运动,避免载体大幅度姿态变化及载体与机械手之间的干涉,同时采用梯度投影法优化海流作用下的系统推力。仿真表明,该算法在解决系统冗余度的同时,有效地协调多任务下的系统动作。

基于能源消耗最小的自治水下机器人—机械手系统协调运动研究

描述了自治水下机器人搭载的三功能水下电动机械手的设计.鉴于自治水下机器人—机械手系统是运动学冗余的且自带能源,因此将系统阻力优化函数引入逆运动学求解,设计了基于系统能源消耗最小的系统协调运动规划算法.仿真表明,该算法在解决系统冗余度的同时,有效地减小了系统能源消耗.

蠕动爬行攻泥机构转向工作特性的有限元分析

针对用于沉船打捞的水下攻泥机器人蠕动爬行攻泥机构的结构与工作机理 ,建立了适当的有限元计算模型 ,进而通过弹塑性有限元计算 ,模拟了攻泥机构处于土中不同深度的工作情况 ,建立了攻泥机构前进位移V和转向角θ之间关系的通用公式。通过它可以实现对攻泥机构前进路线的规划与自动控制

水下机械手运动学逆解的一种优化解法

本文给出一种运用约束最优化的变尺度法求解Schilling水下机械手运动学逆解的方法。这种方法不仅具有牛顿方法的快速性和理想的总体收敛性,通过迭代求取H阵,不仔在奇异性问题,运用惩罚函数法选取步长,保证了从任意点进行搜索,同时有效地处理了约束的存在。这种方法较其它优化算法和搜索法有明显的快速性,在PⅡ550微机上的求解实验证明此算法完全可以用在此机械手运动学的实时求解中。

蠕动爬行攻泥机构工作特性的有限元分析

针对水下攻泥机器人蠕动爬行攻泥机构的结构与工作机理，建立了适当的有限元计算模型，进而通过弹塑性有限元计算，分析了攻泥机构直行攻泥时与土相互作用的工作特性，阐明了攻泥机构在前进过程中限位块导致的土体局部弱化区对其工作特性的影响程度．综合分析计算与模型试验结果，建议了攻泥机构宜行攻泥所必须的条件．

一种基于优化算法的机械手运动学逆解

本文给出一种基于优化算法的机械手运动学逆解的方法 ,这种优化方法基于信赖域方法 ,,具有超线性的收敛速率 .这种方法不仅具有牛顿方法的快速收敛性 ,又具有理想的总体收敛性 .这种方法较 CCD& BFS有明显的优点 ,可以在一般的 PC机上实现实时求解 .在 P II40 0上仅需不到 10 ms就可以求得最优解 .