基于光学聚焦方法的热驱动微执行器位移测量

随着微机电系统(MEMS)设计日趋成熟,度量问题越来越成为微系统技术中的热点。使用改进的拉普拉斯求和方法(SML)和深度估计法来测量热度驱动微夹持器末端的弯曲程度。实验中,使用了10幅在42℃时微夹持器的水下工作图像来验证这种光学聚焦方法,结果证明使用光学聚焦方法可以测量出作为驱动器反馈输入的末端弯曲大小,实现对驱动器运动的精确控制。

一种冗余机器人逆运动学求解的有效方法

针对7自由度冗余机械臂的逆运动学提出了一种新的求封闭解的方法。保证系统实时性的前提下采用二次计算法,在梯度投影法得出优化不精确解的基础上,根据系统结构特点用固定关节法进行再次计算,最终得到一组精确的优化解。既充分利用了系统的冗余特性又大大提高了计算精度。以7自由度仿人机械手臂为例具体阐述了这种方法。从手臂末端轨迹精度方面对梯度投影法和二次计算法的仿真结果进行了比较分析,说明了二次计算法在提高末端精度方面的有效性,并通过试验证明算法可以满足一般机器人系统的实时性要求。

智能机器人多传感器实验平台的图像伺服系统

结合智能机器人多传感器实验平台的研制工作 ,系统介绍了其图像伺服子系统的工作原理、系统构成以及实现方案 ,涉及图像处理、机器视觉和机器人跟踪控制等相关内容 ,并讨论了物体自动识别和抓取过程中需要注意的一些问题 .

基于网络直角坐标机器人视觉伺服系统研究

为了实现定位抓取任务,提出基于网络的直角坐标机器人视觉控制系统。针对机器人运动控制的非线性与强耦合特性,采用神经网络控制器,构建了图像偏差与运动控制量之间的对应关系。通过对图像增强、边缘提取、特征提取等图像处理方法的综合分析,提出了一套优化组合图像处理法。在计算机网络环境下,采用自定义协议实现图像处理器与运动控制器协调控制,并将远程监控应用到机器人控制中。实验结果表明,该系统能够在视野范围内自动实现定位抓取动作。

遥操作机器人系统时延控制方法综述

遥操作机器人系统的应用和研究是目前机器人学一个重要的研究领域.尤其是网络遥操作系统的产生,更进一步扩大了应用领域,并对控制系统的设计带来了新的挑战.该文主要从控制的角度,面向各种性质的时延(如确定的或未知的,时变的或固定的等)对遥操作系统所带来的稳定性和透明度等问题,针对近年来为解决这些问题所提出的新的控制方法和理论进行系统的综述和分析,指出现有各种方法的优缺点,并提出了今后控制方法的研究方向和应具有的特点.

视觉伺服分类及其动态过程

对视觉伺服进行了综述性的介绍,系统地介绍了机器人视觉伺服控制的发展历史以及现状·从控制模型给出了视觉伺服控制系统的分类·针对两种最基本的分类方式基于位置的视觉伺服和基于图像的视觉伺服进行了重点介绍·对于视觉系统和图像特征的选取问题进行了讨论,此外还对视觉伺服系统的动态过程进行了分析,指出视觉系统的延时是目前伺服控制的研究所面临的最大问题·对未来视觉伺服研究的方向进行了总结·

工业机器人虚拟样机系统的研究

该文提出将虚拟样机技术应用于工业机器人仿真研究过程 ,研究与开发工业机器人虚拟样机系统。首先说明虚拟样机技术并分析其关键技术 ,然后说明了工业机器人虚拟样机系统的构成与样机系统在机器人仿真研究中的研究内容。总结该项技术主要解决以下两方面的问题 ,即机器人仿真研究中的系统集成及为以机器人为主体的生产线虚拟设计、验证环境提供底层的数字化环境

拟人机器人交互作用力的研究

拟人机器人的动力学具有高度非线性、高度耦合的特点,分析清楚各组成部分之间的交互作用力是实施高级控制方法的基础。文章在以往分析移动机械手的基础上,从整体建模的角度入手,对拟人机器人的交互作用力提出了一个新的模型,即神经网络模型。利用该模型对一个特殊的单一手臂运动的例子进行了拟合,其结果是收敛的。这说明提出的模型是有效的,此后,我们将陆续给出研究成果。

蛇形机器人研究现况与进展

仿生技术与机器人技术的结合 ,使机器人从结构设计到运动模式的选择都有了新的进展 ,这大大扩大了机器人的应用领域 .本文阐述了仿蛇形机器人的应用背景和研究现状 ,并展望了其未来的发展

基于3自由度并联机器人的船载炮6维运动模拟系统

本文系统基于3自由度并联机器人和3维图形仿真实现了空间6维运动的模拟，构造了一种3自由度并联机构来模拟船的3维转动，并给出了并联平台的运动学逆解，采用图形仿真虚拟作战环境，模拟船的3维移动，并分析了图形驱动原因。

微操作机器人系统及其关键技术研究

微制作机器人技术是MEMS技术的一个重要分支，也是当前机器人研究领域的一个热点。本文分析了微操作机器人集成系统的特点，并针对微制作机器人系统研制中涉及的一些关键技术，如驱动、定位、检测和控制等技术进行了论述。

机器人多传感器实验平台中的图像传感器在线标定研究

本文结合智能机器人多传感器实验平台的研制工作,系统地介绍了图像传感器在线标定的原理和方法,并对标定系统的构成做了概述,同时结合实验对相关问题进行进一步的探讨。

机器人化纳米操作中任务空间的实时反馈方法研究

纳米科技的最终目标是在原子、分子尺度上，制造具有新颖物理、化学和生物特性的器件和系统，而实现这个目标最为关键的使能技术便是纳米尺度下进行观测、操作和装配的科学方法与相关技术手段。原子力显微镜（AFM：Atomic Force Microscopy）的发明为实现这一目标提供了可行途径，AFM除了能够在常态下实现对原子、分子尺度大小物体的观测，并且由于其超高的分辨率和运动精度，可控、可重复的运动方式，独特的机械力作用机理，任意环境的可适应性而广泛应用于纳米操作。然而AFM的主要功能是进行纳米观测，应用于纳米操作时面临着许多挑战性的难题，尽管随着近十年的深入研究，一些问题已经得到了部分解决，但是缺乏高可信度的实时视觉反馈、无法实现任务空间内探针的精确定位依然阻碍着AFM纳米操作的效率。以目前最为先进的AFM纳米操作方法—增强现实技术为例，尽管该技术可以为操作者提供实时的视觉反馈，但是这种视觉反馈并不代表纳米操作场景的真实变化，而是根据离线模型计算得到的一种图形仿真，因而视觉反馈是否可信取决于模型的准确程度，然而受纳米尺度下各种非线性力的影响，如毛细力、范德华力、静电力等等，很难建立完全精确的物理模型，模型误差将导致错误的视觉反馈并引起纳米操作的失败。此外，受PZT非线性和温漂的影响，基于AFM的纳米操作还缺乏在任务空间内对探针进行精确定位的能力，导致操作过程中AFM探针无法有效接触到纳米物体，使得机器人学中“从A点运动到B点”最为基本的任务难以实现，这些缺点都严重阻碍着AFM纳米操作的效率和效果。本论文针对上述问题，以机器人学中的感知、决策、行为理论和监控方法为基础，具体开展了以下几方面的工作： 1、视觉反馈缺乏可信度是基于增强现实AFM纳米操作面临的主要问题，由于操作者无法对视觉反馈可信度作出评断，经常会在错误视觉反馈的指引下进行无效的纳米操作，从而浪费大量的时间，降低了AFM纳米操作的效率。为了克服上述问题，本文在研究信息诊断与反馈理论基础上，提出了基于Kalman滤波的视觉反馈可信度在线监控方法，实现了视觉反馈错误的实时检测，避免了无效纳米操作的发生，提高了AFM纳米操作的效率。 2、错误视觉反馈被检测出后，需要对其修正以保证纳米操作任务的成功完成。然而传统修正方法需要中断纳米操作进行重新扫描成像，这往往需要耗费几分钟的时间，严重降低了AFM纳米操作的效率。针对该问题，本文提出一种基于局部扫描的在线修正方法，通过扫描轨迹的优化，该方法能够对真实纳米操作结果进行实时感知，从而不需要中断纳米操作就能实现错误视觉反馈的修正，并使得整个修正过程对于操作者透明。这保证了实时可视监控信息的真实性，显著提升了AFM纳米操作的效率。 3、PZT非线性和随机漂移是影响AFM探针精确定位的主要因素，针对该问题本文提出了一种基于路标的探针定位方法，其核心思想是不再采用距离为测度方式进行探针位置描述，而是将作业区域的特定形貌特征定义为参考路标，通过探针对特征形貌的主动感知实现基于路标地图的探针定位，有效消除PZT非线性和随机漂移引起的定位误差，提高探针在任务空间内的定位精度。 4、研究了机器人化纳米操作系统任务空间实时反馈的构建技术，具体包括高灵敏度纳米操作力的感知方法，系统结构误差的产生原因和补偿策略，面向探针实时运动控制的系统结构设计，系统的软硬件实现方案等内容，并利用该实验平台开展了大量实验研究，验证了本论文所提出理论方法的正确性，同时演示性地组建了基于单根CNT和DNA的纳电子器件，实验结果表明AFM纳米操作的效率和效果得到了极大提升。本文的研究工作丰富了基于AFM的机器人化纳米操作理论，为基于AFM的纳米制造技术发展提供了具有一定指导意义的理论方法和研究途径。

基于网络的机器人遥操作系统：运动描述语言方法

基于网络的机器人遥操作系统是互联网技术与机器人技术相结合的产物，其基本特点是操作者的决策能力与远端机器人系统精确、快速运动能力的有机结合，这种结合通过互联网这种廉价的通讯媒介得以实现。这类系统较之于传统机器人系统的优点主要体现在两个方面：一方面延伸了操作者的感知和操作能力，使操作者可以置身于安全的环境中而完成危险环境中的作业任务；另一方面提高了机器人对工作环境的适应能力，辅之以操作者的决策，机器人可以工作于非结构化的工作环境中。随着互联网技术的飞速发展，基于网络的机器人遥操作技术在远程医疗、远程服务、远程制造等领域得到了广泛的应用。 互联网技术为机器人遥操作技术的应用开辟了广阔的应用前景，但同时也带来了新的挑战，互联网数据传输的特征——有限带宽、随机时延、丢包和乱序等——降低了遥操作系统的性能，甚至造成系统的不稳定。传统的主从式控制策略增加了操作者的工作负担，而且需要占用大量网络带宽，造成网络资源的浪费；而协作式控制策略虽然可以减少通信量，但操作者对机器人系统的影响降低，而且只能依据经验设计。另外，传统的控制策略并没有考虑机器人遥操作系统的混杂本质特征。一个理想的机器人网络遥操作系统应该能够实现系统计算、通信等功能的合理划分。合理划分的原则是：把操作者从控制闭环中解放出来，适当减轻操作者的工作压力；充分利用机器人系统的计算能力和运动能力，降低系统对网络带宽的需求；适当保留操作者对机器人系统的决策能力，从端机器人系统要有一定的自主能力。基于以上基本原则，本文提出了基于运动描述语言（Motion Description Language, MDL）的机器人网络遥操作系统设计方法，针对该方法在以下几个方面进行了深入研究： 1. 针对现有的机器人网络遥操作系统结构存在的问题，提出了基于运动描述语言的机器人网络遥操作系统控制结构。该控制结构充分考虑了机器人网络遥操作系统的构成特点，实现了系统计算、通信等功能的合理划分，为系统设计奠定了基础。 2. 结合基于事件的规划与控制理论，提出了新的运动描述语言模型，并以轮式移动机器人的镇定问题为例说明了基于运动描述语言的机器人系统控制方法。为了分析运动描述语言的网络环境特征，我们对基于运动描述语言的机器人网络遥操作系统进行了仿真研究，并与传统的遥操作方法进行了对比分析，仿真结果表明，基于运动描述语言的控制方法对网络随机延迟具有鲁棒性。 3. 在基于网络的机器人遥操作系统中，操作者依据系统运行过程中特定的事件进行决策，据此提出了遥操作系统中的信息变换和运动描述语言框架中的增强信息反馈方法。在信息变换方法中，针对各种媒体信息的特点以及操作者的感知特征，把视频信息转换为力信息，引导操作者提供和系统状态对应的控制命令。运动描述语言框架中的增强信息反馈方法反映了操作者感知离散事件的本质特征，对操作者感兴趣的离散事件进行了凸显，增强了操作者的感知能力。实验结果验证了两种方法的有效性。 4. 针对具体的遥操作目标抓取任务，建立了基于运动描述语言的机器人网络遥操作原型系统，定义了一致可操作性的概念，并探讨了运动描述语言框架中的优化问题。通过实验对传统的控制方法与基于运动描述语言的控制方法进行了对比分析，实验结果说明，基于运动描述语言的机器人网络遥操作系统在降低操作者工作负担以及减少对通信网络带宽需求方面具有很大的优势。 基于运动描述语言的机器人网络遥操作系统克服了传统控制方法的缺点，通过抽象实现了数据的压缩，这种特点较之于传统的控制方法在降低通信量以及操作者的工作负担方面具有很大的优势，对于提高机器人网络遥操作系统的性能具有现实意义。

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。