北京航空航天大学学报

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王田苗, 邹丹, 陈殿生

2005, 31(07): 705-708.

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摘要:
开发了用于完成复杂地形侦察作业的可重构履带机器人.从可重构机器人的特点出发,研究了模块化的机械电气结构和控制方法实现.设计实现的可重构机器人由4个基础运动模块,3个连杆模块和2个转动关节模块组成,通过各个模块的不同组合形式,实现了机器人构型的可重构.系统采用分布式控制体系,研究实现了机械构型发生改变时,基于ARM(Advanced RISC Microprocessor)的实时嵌入式控制系统的可重构.通过模拟楼宇内房间侦察作业,验证了可重构履带机器人具备复杂地形环境适应能力和简单方便的可重构性能.

SPC-II机器鱼平台及其自主航行实验

梁建宏, 邹丹, 王松, 王野

2005, 31(07): 709-713.

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摘要:
SPC-II型仿生机器鱼是利用尾鳍推进机理,实现机器鱼稳定、高速游动和验证机动性的一个实验平台.SPC-II不模仿某种特定鱼类的外形,而是把游动稳定性作为仿生水下航行器设计首要考虑的因素,有效克服艏摇的鱼体,使得尾鳍推进器的运动不受到干扰,同时也降低航行阻力.SPC-II长度约1.2 m,采用完全刚体耐压舱,内部安装了电池、GPS(Global Position System)和罗盘组合导航系统、2关节伺服电机推进系统,能在深度5 m内进行定深的自主航行,速度达到了2.8 kn,功耗小于250 W.对直线航行速度,转弯机动性进行了测试,并进行了长距离风浪条件下的海试.与国内外相关实验平台进行了...

柔性调平机构概念设计

余志伟, 于靖军, 孙明磊, 宗光华

2005, 31(07): 714-717.

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摘要:
芯片之间的调平是保证对准精度的一个重要手段.针对目前微制造领域中常用调平机构的缺点,提出了一种实用的柔性调平机构.该机构具有精度高、速度快、结构紧凑、控制简单等优点.重点对机构的调平原理及其概念设计进行了详细论述.在概念设计中,对机构的总体结构及其关键元件——柔性柱的结构进行了设计与分析;为确定调平机构主要的设计参数,建立了原始尺寸、变形尺寸和应力三个方面的约束条件.利用能量法对柔性柱的柔度进行了理论分析,通过商用有限元软件ANSYS8.0对其进行了仿真,从而验证了柔度公式的正确性.指出了在设计实现中需要解决的若干关键问题.

面向复杂曲面的爬壁机器人机构及运动学分析

徐祯祥, 刘荣, 衡进, 石龙

2005, 31(07): 718-721.

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摘要:
针对表面附有轨道的复杂曲面,提出了一种能够沿轨道移动的爬壁机器人机构.由于环境约束的复杂性,提出了功能分离的模块化机构设计思想,将机器人的功能划分为攀爬及姿态调整和沿轨道移动两种功能,并相应地设计了两套运动机构.四足爬行机构实现机器人的攀爬及姿态调整功能;轮轨机构完成沿轨道快速移动功能.对抓持与姿态调整运动进行了详细分析,并以球形曲面为例,得出相关关节控制变量的解析表达式.定性地分析了机构在其它曲面下,相关关节的变化形式.理论分析及设计实例表明机构对布有轨道的复杂曲面具有较好的适应性.

灵巧手主从抓持中的运动映射

李继婷, 张玉茹

2005, 31(07): 722-725.

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摘要:
抓持规划是灵巧手研究中的关键问题之一,主从抓持是目前较为可行的解决方案.其核心问题是将人手的抓持合理地映射为灵巧手的抓持.以仿人灵巧手为研究对象,提出了从人手到灵巧手的主从运动映射方法,在直角空间内建立了主从运动映射模型.根据人手和灵巧手运动学结构的相似性,提出了主从映射矩阵的简化形式,即通过主从手指尖位置增量的线性比例映射,由人手各指尖的运动独立控制灵巧手对应指尖的运动.通过实验对主从映射结果进行了分析,初步探讨了主从映射应满足的基本要求.实验结果表明,映射所确定的灵巧手的指尖位置基本在其工作空间,从而保证主从运动可行;主从手的运动轨迹较为相似,从而保证了主从控制的简单直观.

柔性机器人避动力奇异方法的研究

高志慧

2005, 31(07): 726-729.

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摘要:
对柔性机器人避动力奇异的方法进行了研究,得出当机器人第i阶模态频率与模态激振力某阶频率相等,且模态激振力比较大时,机器人就会出现动力奇异问题的结论;分析了机器人的结构参数和运动参数是影响其固有频率的因素,提出了在不改变机器人预定工作任务的情况下,对已有的机器人可以通过在其柔性臂上附加一质量块以调节机器人的固有频率,从而避免动力奇异问题的发生;同时给出了附加质量块的规划策略,并以一末杆为柔杆的空间三杆机器人为例,验证了所提方法的有效性.该方法也适用于其它一般机械系统.

微创外科机器人手腕灵活性的研究

刘达, 胡磊

2005, 31(07): 730-734.

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摘要:
为了能够按照手术最佳姿态完成机器人路径规划,从几何角度对微创外科机器人手腕灵活性进行研究.根据微创外科机器人末端工具的结构和安装特点,运用末端工具姿态球解析法分析手腕灵活性.研究工具的预置位姿对手腕灵活性的影响,证明工具轴线与末关节轴线垂直时,二自由度手腕可以获得满足微创手术要求的灵活性.研究关节轴向偏距对手腕灵活性的影响,证明当存在Z轴方向偏距的情况下,末端工具可以实现全方位的姿态.在此基础上,提出了二自由度手腕成为灵活手腕的必要条件.依据这一条件可以简化微创外科机器人手腕结构.

二驱动球形机器人的全方位运动特性分析

孙汉旭, 肖爱平, 贾庆轩, 王亮清

2005, 31(07): 735-739.

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摘要:
介绍一种新型二驱动球形机器人,它使用两个电机作为输入,而球形机器人在平面运动具有三个自由度,所以属于非完整欠驱动系统.内驱动机构通过改变配重重心的位置实现了球形机器人沿任意方向的运动,且球形机器人的位姿影响了球形机器人沿不同方向运动的灵活性.阐述了它的结构特点,利用非完整系统力学理论对球形机器人运动学、动力学进行了初步分析.采用欧拉角和三维转动群知识对球形机器人的全方位运动学特性进行了分析.

大变形柔性铰链的静刚度分析及应用

贾明, 毕树生, 于靖军, 徐一村

2005, 31(07): 740-743.

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摘要:
大变形柔性铰链可由弹性较大的橡胶材料制成,而橡胶材料的应变-应力关系不符合胡克定律,其关系可由应变-能量函数关系式导出,为此,采用Mooney-Rivlin模型对形变能量函数进行简化,通过适当选取材料常数的比值,对其非线性的应力-应变关系进行分段线性化,导出圆角型柔性铰链在大变形时转角刚度的近似计算公式.通过有限元仿真对近似计算公式进行了验证.在此基础上,应用大变形柔性铰链构造扑翼式微型飞行器中的柔性胸腔,由转动电机作为驱动器,利用柔性铰链的变形实现翅膀的扇翅运动,实际应用效果表明可有效增大扇翅角并提高能量利用率.

一种球形移动机器人的运动性能分析

战强, 贾川, 马晓辉, 陈明

2005, 31(07): 744-747.

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摘要:
球形移动机器人的特殊结构使之非常适合在缺少人为干预的恶劣环境(如外星球、野外等)中应用,在此类的环境中,机器人的运动性能是决定机器人能否顺利完成预定任务的关键.介绍了BHQ-1G型球形移动机器人的结构,采用几何法和拉格朗日方程建立了该球形移动机器人的模型,并对它的直线运动、爬坡能力、越障、转弯半径等运动性能进行了具体的分析,证明了该设计的可行性并确定了影响该机器人运动性能的参数.该分析结果可用于BHQ-1G机器人的优化设计和样机研制.

一种新型医疗机器人运动学及灵活性分析

唐粲, 超栾

2005, 31(07): 748-752.

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摘要:
从临床应用的角度出发,分析了微创神经外科机器人的结构特点.建立了机器人空间运动学模型,确定了该机器人逆解具有解析解,通过仿真验证了逆解的正确性.分析了机器人手腕的灵活性,用姿态球的概念定义了五自由度机器人手腕灵活性,给出了手术矢量工具姿态球的边界表达式,提出了手腕灵活性的分析方法,给出了机器人的灵活区域分布.掌握运动学和灵活性分析方法,可以为结构设计提供可靠的依据,为后续机器人控制功能的实现奠定基础.

二自由度闭环触觉再现机构的反向驱动性能

国欣, 郭卫东, 张玉茹

2005, 31(07): 753-756.

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摘要:
触觉再现装置的反向驱动性能是衡量触觉再现装置设计成败的重要指标,也是触觉再现装置设计的主要依据.对二自由度触觉再现机构进行设计,得到了二自由度触觉再现机构的物理样机;以二自由度触觉再现机构为对象,用拉格朗日法对其进行动力学分析,在此基础上给出了评价机构反向驱动性能的衡量指标——广义惯性椭球(GIE),并用图形直观地描述了机构的反向驱动性能;通过改变部分构件的材料改善了触觉再现机构的反向驱动性能,以便在设计中选择性能合适的二自由度触觉再现机构.

平面3自由度柔顺微动机器人加工误差分析

晁代宏, 刘荣, 吴跃民, 石龙

2005, 31(07): 757-761.

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在微/纳米级定位领域,误差分析是提高微动机器人运动精度的重要方法.其中,对加工误差的分析尤其关键.为此,对平面3自由度(DOF,Degree of Freedom)柔性并联微动机器人的加工误差进行了研究.通过对机器人静刚度求解,建立了加工误差与其末端执行器定位精度的关系模型.通过理论计算途径及有限元方法(FEM)讨论了各结构参数加工误差对末端精度的影响程度,结果表明柔性铰链圆弧切口半径误差以及铰链圆弧切口中心线角度偏差对机器人末端精度的影响最大.研究所得结论可用于指导此类机构设计,确定加工过程中各机构参数的公差要求,并有助于提高标定精度.

铣削过程中残余应力仿真分析

董兆伟, 张以都, 刘胜永

2005, 31(07): 762-765.

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摘要:
在铣削加工零件时,零件各部分的残余应力分布不均匀,会使工件发生变形,影响工件的形状和尺寸精度.采用有限元分析方法,利用有限元增量理论建立了加工材料的弹塑性本构关系.针对立铣刀的铣削加工,建立了二维金属铣削仿真模型,分析中采用网格自适应准则,通过对典型钢件的加工模拟,得到了加工后已加工表面的残余应力的分布情况和整个加工过程中工件的受力情况,对于工程中的实际应用具有重要的意义.

数控车床故障分布的两重威布尔分段模型

陈殿生, 王田苗, 魏洪兴

2005, 31(07): 766-769.

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摘要:
为了定量地分析数控车床故障分布规律,同时也为提高其可靠性水平提供理论依据,在历时2年多收集14台数控车床故障数据的基础上,对数控车床故障率曲线的特征进行了分析,应用概率统计数学方法,建立了数控车床故障分布的两重威布尔分段模型,运用威布尔概率纸图分析法进行参数估计,据此对观测值进行了曲线拟合,拟和结果证明了分段模型的正确性.采用Laplace趋势检验法对模型进行了检验验证.从建立的两重威布尔分段模型和相应的故障率曲线上都可以区分出数控车床的早期故障期和偶然故障期,经计算早期故障期大约是5个多月,这与机床用户反映的使用初期的半年内故障频繁、故障率高相一致.该系列数控车床在使用中存在早期故障期,说明...

多工艺路线可视化设计与评估方法

钱显志, 郑联语, 魏丽

2005, 31(07): 770-774.

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摘要:
根据CAPP系统人机工程和工艺路线方案选择的需要,提出了一种基于图形控件和过程网的多工艺路线可视化设计与评估方法.该方法根据工艺路线的构成要素,设计建立了具有标示、工艺、图形和评估四个方面属性的工序控件、机床控件、特征控件和搬运控件等图形控件,采用图形控件的拖拽方式和网络图的表达方式构建工艺路线,实现了多工艺路线的可视化设计,并采用Dijkstra算法对过程网中的多条工艺路线进行评估,从而选择最优工艺路线.最后给出了某飞机结构件的应用实例.该方法能够更好地体现工艺师的设计思路,有效地进行工艺方案论证和决策.

微小型机器人嵌入式自驾仪设计

王松, 李新军, 梁建宏, 蒲立

2005, 31(07): 775-779.

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摘要:
分析了不同类型微小型机器人对自驾系统的共性需求.提出了一种基于ARM(Advanced RISC Microprocessor)和μCOS-II的嵌入式自驾仪设计方法,给出了从需求分析、功能设计、结构设计、硬件设计、软件设计的系统设计过程,并分别从上述各方面对自驾仪的通用性进行了探讨.层次化的体系结构、模块化的硬件、结构化的软件以及无精确模型的模糊控制方法使得设计出的自驾仪经过简单的硬件调整和软件定制,就能适用于仿生机器鱼、履带机器人、小型无人机等不同的微小型机器人平台.经过多次试验验证,该自驾仪性能稳定、具有一定的通用性,弥补了专用自驾仪在多元异构群体中应用时的成本高、协调控制困难、兼容性和...

基于NCCO的十字图像特征亚像素定位

孙明磊, 李大寨, 余志伟, 宗光华

2005, 31(07): 780-784.

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摘要:
利用标准互相关算子(NCCO)对机器视觉领域常用的十字图像特征进行匹配运算,发现相似函数在峰值区域的分布特征为4个互相对称的双曲面.据此提出一种基于NCCO图像匹配的双曲面拟合亚像素精密定位方法:首先进行粗定位,确定整像素级的相似函数峰值点;然后使用伪逆法对峰值区域的4个卦限分别进行最小二乘拟合;最后求解4个拟合双曲面的交点,得到图像特征的亚像素定位坐标.在微装配显微视觉系统上实现了该算法并进行了实验验证.实验表明:与常用的高斯拟合或二次曲面拟合方法相比,双曲面拟合方法在定位精度上为0.25个像素,而计算量大为减少.

基于离散能量法的牙体预备仿真力觉渲染算法

王玉慧, 张玉茹, 王党校

2005, 31(07): 785-788.

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摘要:
在力觉交互的虚拟现实系统中,力的逼真度和系统稳定性是系统的两个重要性能.在力觉交互虚拟现实牙医培训系统中,通过力反馈设备作用在医生手上的力直接影响培训质量.采用四面体剖分建立人类牙齿的实体模型.结合经验公式和实验数据,提出了一种牙体预备虚拟切削力模型,研究了保证系统稳定性和虚拟力逼真度的算法,并利用离散能量法对等采样间隔的切削力序列进行渲染处理,使得力信号在力的逼真度和系统稳定性之间得到优化解,较好地消除了力序列中的高频振动,从而改善了力觉交互虚拟现实牙医培训系统的性能.

点样机器人工作路径分析

周强, 于宝, 毕树生

2005, 31(07): 789-793.

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摘要:
点样机器人是制备微阵列生物芯片的核心设备.在分析了点样机器人的工作过程以及系统结构组成的基础上,着重对点样机器人制备微阵列生物芯片所消耗的工作路径进行了理论分析和详细分类.在已知样品种类、玻片数量、样品点阵列模式、点样针阵列模式等给定参数的前提下,将工作路径分为z轴点样针路径长度、xy轴点样路径长度,而后采用类似图形树的分类方法给出了详尽的迭加计算方法与公式,对主要影响因素进行了深入研究.实验表明该方法快捷准确可行,可用于工程分析.其对点样机器人的结构设计与路径规划都具有指导意义.

显微手术机器人末端微小型传感器集成研究

胡一达, 李大寨, 杨洋, 孙旭光

2005, 31(07): 794-798.

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摘要:
为提高显微手术机器人实施手术的效果,需要在机器人末端集成微小型传感器.在提出传感器集成设计要求的基础上,研究机器人末端环钻钻切力和深度的测量机理.采用微型力传感器和微型位移传感器测量手术中的钻切力和深度信息.采用线性滑动轴承和差动测杆机构实现对相应手术信息的测量.开发传感器数据采集卡,用功率谱估计分析传感器数据,并提出两种数字滤波方法来消除干扰信号.两种方法分别适合于PC机的低通、带阻串联结构滤波器和适合于数据采集卡的移动平均滤波算法.钻切实验表明,机器人末端传感器集成满足设计要求,末端环钻可以准确完成手术操作.

快速计算虚拟物体之间精确接触位置的算法

陈学文, 刘静华, 丑武胜, 王田苗

2005, 31(07): 799-804.

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摘要:
在触觉、力觉交互的虚拟现实系统中,快速计算虚拟物体之间精确接触位置是触觉、力觉交互碰撞检测系统的前提.在这样的系统中虚拟物体大多是多面体模型且是三角形模型,采用层次包围盒法判断物体是否相交,如果相交,采用本文提出的二级检测算法快速计算出物体的接触位置.该算法首先判断那些相交三角形是异面还是同面,如果是异面,求出一个三角形T₂与另外一个三角形T₁所在平面的交线,然后再判断该交线与T₁之间的位置关系,进而求出有效的相交线段;如果是同面,需要判断两个三角形之间相互位置关系,然后有针对性地求出相关线段之间的交点,从而求出三角形的相交区域.最后用实例验证了该算法的有效性和鲁棒性.

三自由度球形电机位置测量研究

寇金桥, 陈伟海, 于守谦, 王建华

2005, 31(07): 805-808.

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摘要:
非接触位移测量对实现球电机的闭环运动控制十分重要.对基于微处理器的光学传感器的测量原理作了分析,阐述了利用二自由度光学传感器测量球电机三自由度位移的测量原理,提出了传感器的安装和位移计算方法.这种方法是通过球面的几何关系,由检测到的x和y坐标方向的位置数据计算出z坐标方向的数据,并根据旋量理论建立球电机运动的旋转矩阵和计算出旋转矩阵的旋转角度.通过仿真结果验证了所提方案的实用性.

基于CCD和超声的物体位姿检测方法及精度分析

解玉文, 丁希仑, 刘颖

2005, 31(07): 809-813.

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摘要:
介绍了用单个CCD摄像机和超声传感器相结合检测物体位姿的方法.首先由CCD摄像机采集一幅图像,获取物体上目标点在图像坐标系中的理想坐标,并由此确定该点投影矢量(连接物体点和对应图像点的直线)的方向;然后控制机器人运动,使超声传感器的z轴与求得的投影矢量重合;最后用超声传感器测出投影矢量的长度,确定目标点在摄像机坐标系中的坐标.分析了影响检测精度的主要因素,具体研究了超声传感器的安装参数对检测精度的影响规律,进行了仿真分析.该方法可以有效地降低图像处理所带来的巨大数据量,避开双目视觉中的图像匹配问题,快捷、精确检测物体的位姿.

基于螺旋理论模块化机器人运动学分析与仿真

陈伟海, 周杰, 于守谦, 吴星明

2005, 31(07): 814-818.

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摘要:
基于螺旋理论对模块化机器人的速度级和位移增量级运动学关系进行了分析,开发了模块化冗余度机器人的逆运动学控制算法.针对模块化机器人可能具有任意自由度和任意构型、可以经常快速安装和拆卸、易于可重构且由系列化、标准化部件组合的特性,开发了具有自动建模功能的模块化机器人仿真系统.该仿真系统由模块构造器、机器人建造器、图形示教和运动规划仿真器等分系统组成.通过一个7-DOF模块化串联机器人抓放工件的演示实例验证了所提算法和仿真系统的实用性.

利用可编程超声阵列准确定位目标点位置

李保国, 王巍, 张阳天

2005, 31(07): 819-822.

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摘要:
设计和制作了一种用于移动机器人环境探测的可编程设定工作模式的超声波传感器阵列,阵列中的每个超声传感器都可以被编程设定为发射/接收器或接收器.当某个传感器是发射/接收器时,其它传感器都设定为接收模式,使系统在探测过程中始终工作于单发/多收的状态,能够比传统的多超声传感器系统获得更多的冗余信息.利用几何学的相交定位法融合每次探测所得到的数据,实现对目标点的准确定位,通过衡量目标点之间的欧式距离来区分多个目标.实验结果表明,这种新的探测系统只需要一个探测周期,就可以实现对单目标和多目标的准确定位,比传统的多超声系统具有更高的探测效率.

基于UDP的端对端通讯的原理及实现

徐颖, 栾胜

2005, 31(07): 823-827.

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摘要:
通过探索网络地址转换设备在进行UDP (User Datagram Protocol) 端口映射所存在的临时时间窗口,论述了使用UDP穿透网络地址转换设备的原理.引入检测及握手服务器及其所实现的数据包反射服务,来检测动态映射的端口信息以及网络地址转换设备在进行端口映射的特性.探讨了不同类型的网络地址转换设备对这种实现的影响,给出了检测过程以及建立端对端通讯过程的具体流程.这种实现可被广泛应用在IP语音、实时视频、文件共享以及分布式计算等应用中.