基于比例调压阀的气动力觉系统开发

开发出一种用于夹钳式主从机器手的气动力觉系统。该系统可使操作者在主从操作中具有夹持力觉临场感,避免破坏易碎的操作对象。详细介绍了机械气动结构、力矩传感器的设计、位置传感器的安装。设计了主手PID控制器,实现对主机器手的位移信号发送与力矩伺服控制。制作试验样机并搭建了试验平台。通过对系统动态特性的分析验证了系统方案的可行性。     

一个力反馈主从式操作机械手实验系统的实现

力觉临场感技术是一门遥控机器人作业领域中新兴的前沿技术，开展这方面的研究具有重要的实用价值。本文基于力觉临场感的工作原理，设计并实现了一个具有力反馈的单自由度主从式操作机械手实验系统，实验结果表明该系统初步实现了力觉临场感的设计思想。     

一种新的力觉临场感遥操作机器人系统的控制方法

在分析已有控制方法的基础上，提出了一种新型的控制方法，其主要特点是从手由主从手之间的力偏差信号控制，主手由二者的力偏差和位置偏差控制；建立了系统的动力学模型，并根据二端口网络理论，从理论上研究了新方法在理想透明性能情况下应满足的关系，结果对于力觉临场感遥操作机器人控制器的设计应用具有一定参考价值。     

H∞控制的主从遥操作力觉双向伺服控制系统研究

针对力反馈双向液压伺服控制中存在的反馈力冲击大及位置跟随特性差的问题,提出了一种以主／从动机械手之间的力偏差为从动端控制信号,由位置偏差和力偏差形成主动机械手控制量的新型力觉反馈控制策略。结合遥操作工程机器人主从控制的特点,通过对液控操纵杆系统进行H∞控制的状态观测器补偿,改善了液压马达的动态特性差异。进行了力觉双向伺服控制实验,实验结果表明,该控制策略明显改善了主一从控制系统的操纵性能,操作者能够获得真实的力觉临场感,同时该控制策略具有控制简单、收敛速度快、实时性好等特点。     

一种线绳式力反馈装置的设计与实现

针对增强现实和遥操作技术的需要,设计了一套线绳-框架式力反馈装置。该装置通过8根线绳并联驱动,实现人手与增强现实环境的6自由度力觉交互。详细阐述其结构设计、位姿计算、反馈力分配、驱动单元与传感器单元的布置和控制系统设计等关键问题。通过虚拟墙碰撞实验的结果,表明该力反馈装置能实现真实的力觉临场感。     

临场感测试技术及力觉临场感的实现

本文对临场感的概念作了说明，总结了临场感测试技术的特点。在对人的力觉感知过程分析的基础上，设计了和人手相接口的单自由度力觉临场感测试系统，并从电路二端口网络理论出发对力觉临场感的测试原理和方法作了分析。实验表明了该测试技术的有效性。     

力-位置型力觉临场感机器人变增益控制及其稳定性研究

对于力觉临场感机器人系统,在保证系统稳定性的基础上,提高操作透明性是其完成精细任务的关键。本文通过对力-位置型力觉临场感遥操作场机器人系统控制结构的分析,提出了一种变增益力-位置型控制结构,通过改变从端的位置控制增益,提高了遥操作系统的可操作性。同时通过建立系统的动力学方程,利用李亚普诺夫函数分析了系统在约束运动下的稳定性。实验结果表明,这种控制结构在保证系统稳定的基础上实现了良好的控制透明性。     

排爆机器人主从手力觉临场感仿真研究

针对排爆机器人手臂抓取爆炸物无力反馈操作人员临场感差,易发生误操作触发爆炸物等问题,设计一种排爆机器人主从机械手系统。该系统由两组相同结构的机械手臂组成,每个机械手上安装力传感器分别检测人员与爆炸物对主从手产生的作用力。对主从手机构建立动力学模型与控制模型,根据所建立的模型利用二种不同质量的爆炸物进行抓取以验证其机构动态性能。仿真结果表明：机械手抓取小质量爆炸物时主从手之间力跟随与延时特性都有较好映射;在抓取大质量爆炸物时从手力的映射出现振荡并产生延时。     

单柱塞泵开关式阀控系统的PWM控制分析

单柱塞泵开关式阀控系统为自动垂直钻井工具中使用的一种井下纠斜液压装置.通过对这种容积小、流量小且不连续的开关式液控系统压力流量特性的分析,指出了对该系统进行PWM控制的关键是合理确定脉宽调制周期内开关电磁阀的断电时间长度,并推导出与目标压力之间的函数关系;针对该系统提出了一种对电磁阀断电时刻无严格要求的,且输出力连续可调的PWM方法并通过仿真和实验进行了验证.     

人机交互中的力/触觉设备进展综述

在虚拟现实和遥操作系统中,力/触觉接口是非常重要的人机交互设备.目前的力觉装置有外骨骼和固定设备、数据手套和穿戴设备、点交互设备和专用设备等,这些力觉装置中采用气动、液压、电机或磁场等驱动的主动式力反馈居多,也有基于液体智能材料的被动式力觉反馈.触觉的实现方法主要有由电磁(螺线管、发声线圈)驱动的机械振动,压电晶体、形状记忆合金驱动的探针阵列,气动系统,热力泵(塞贝克效应)系统等.     

虚拟环境下力觉交互的实现

对实现人与虚拟环境之间的力觉交互进行了初步尝试。在建立虚拟对象的仿真模型和虚拟与现实世界之间的交互模型的基础上 ,利用常见的商用软件构造了虚拟装配环境和虚拟装配对象 ,并通过一简单的力觉交互装置———力感鼠标进行了人与虚拟环境之间力觉交互的验证实验     

PWM阀控单端封闭气缸系统的工作

本文给出了高速开关阀阀控气缸系统的单端封闭PWM开关控制的两种工作模式,一种是通过对一定压力气源的PWM断续控制,改变系统的阶跃响应时间,气缸活塞的位移只能通过改变压差调节;另一种是通过气源和大气的PWM交替接入控制,实现占空比一位移/压力或压差一位移/压力比例控制.根据系统的传递函数模型运用仿真的方法得到了动态及静态特性,在此基础上提出单端封闭的阀控气缸系统控制方法,在所搭建装置上进行的实验表明:装置可实现单端封闭气缸活塞位置的PWM定位控制,验证了所提出方法的可行性,为今后高速开关阀的PWM气动位置/压力控制系统构建提供了理论分析和设计基础.     

带有双手力觉反馈的人机交互系统设计

力觉反馈可以在人机交互的过程中营造出沉浸感,而双手可以实现比单手更为复杂、精细的操作。因此,设计了一种带有双手力觉反馈的人机交互系统。该系统使用两个多自由度力觉反馈装置捕捉、跟踪操作人员手部位置并提供力反馈。系统实验结果表明,该系统可在500 mm×500 mm×420 mm工作空间内精确跟踪双手位置,跟踪误差小于0.8 mm,并可提供高达20 N的反馈力和0.4 N·m的反馈力矩。通过应用实例验证了系统的有效性。实例任务结果表明,带有双手力觉反馈的任务完成时间大大短于单手力觉反馈和无力觉反馈的任务完成时间。     

虚拟环境下力觉交互的实现

对实现人与虚拟环境之间的力觉交互进行了初步尝试,在建立虚拟对象的仿真模型和虚拟与现实世界之间的交互模型的基础上,利用常见的商用软件构造了虚拟装配环境和虚拟装配对象,并通过一简单的力觉交互装置-力感鼠标进行了人与虚拟环境之间力觉交互的验证实验。     

机械反馈式主从机械手控制系统研究

针对恶劣作业环境下传统主从机械手控制系统存在安全性和可靠性较差的问题,研制了一种以单轴工作台和精密压力调节器为主、气动定位装置为辅的机械反馈式主从机械手控制系统。首先,研究了该系统的工作原理并给出了一个工作示例;然后,设计了一种气动定位装置,并对其进行了详细建模;其次,制备了系统的原型实验装置,并单独对气动定位装置进行了阶跃响应实验;最后,对整体系统进行了阶跃响应、重复输入响应和手动单调增加输入响应等多方面特性分析,并将观测结果与仿真结果进行了比较。结果表明:该系统的各种响应结果与仿真结果吻合较好;该系统在气管长度为20 m左右时,阶跃响应的上升响应延迟在0.2 s以内,目标位移的误差约为2.2%;系统通过改变皮带轮齿数,可以任意缩放主机位移并传递给从机,十分适用于作业速度相对较低的应用场合。     

具有力觉感的主从医疗机器人双向控制系统的动力学模型研究

本文基于对主从机器人控制系统的动力学分析,研究了借助力觉临场感技术实现主从医疗机器人遥操作的控制理论和设计方法。在力和运动的双向控制中采用了新型控制方案,从理论上分析了该方案的可行性,显示了临场感技术在增强人机交互能力方面的优越性。     

具有力觉感的主从医疗机器人双向控制方法研究

基于对主从机器人控制系统的动力学分析,研究了借助力觉临场感技术实现主从医疗机器人遥操作的控制理论和设计方法.在力和运动的双向控制中采用了新型控制方案,从理论上分析了该方案的可行性,显示了临场感技术在增强人机交互能力方面的优越性.     

可穿戴式双通道指端力触觉反馈方法与系统

虚拟现实技术给予了人们全新的人机交互体验,而可穿戴式力触觉反馈装置则可以增强这类交互过程中的沉浸感与真实感。提出了可穿戴式双通道指端力触觉反馈方法与系统,系统采用蓝牙的无线通信方式以减少对手部运动的干扰,由微型电机提供最大为2.91 N的力觉反馈,由压电陶瓷振动器提供振动触觉刺激。装置重约110 g,具有体积小、易穿戴、对手部运动约束小的特点。为了验证装置的有效性,设计了对比实验。实验结果表明,相较于单通道力、触觉反馈以及无力触觉反馈,实验人员在双通道力触觉反馈的情况下可更高效率地完成虚拟环境中的任务。     

气动模拟左心室建模和控制

体外模拟循环系统是心室辅助装置研发的重要测试平台。为了实现体外模拟循环系统中气动模拟左心室压力的控制,从密封容器腔气体压力和温度微分方程以及电比例阀节流口流量公式出发,建立了气动模拟左心室装置完整的数学模型,设计了基于双闭环反馈的模拟左心室压力控制器。控制器和模拟左心室模型在MATLAB/Simulink软件中进行了联合数值模拟。数值模拟的结果表明,模拟左心室压力控制误差小,验证了气动模拟左心室装置及其压力控制方法的可行性。     

基于模糊PID的流式细胞仪液流主从控制系统

液流系统两条主液路输出压力的平稳性、准确性是流式细胞仪功能实现的基础。针对传统液路输出压力同步性和准确性低的问题,提出通过模糊自适应PID算法对控制环中参数进行自整定的主从控制结构。根据气动控制元件动态模型与模糊控制器原理,构建主从闭环反馈控制系统,并利用Simulink对系统进行了建模,得到了不同控制信号及控制参数下系统的响应曲线。对响应曲线的分析结果表明,在流式细胞仪液流系统工作压力范围内,模糊PID控制的双液路主从系统的输出压力超调量降低8%,响应调整时间缩短1/2,同步误差小于1%,与传统PID控制的单液路相比,提高了系统压力输出的精度和稳定性。