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仿生扑翼飞行机器人自主导航系统研究进展

仪器仪表学报 2023年第11期44卷 66-84页

作者：蒋济州徐文福潘尔振哈尔滨工业大学(深圳)机电工程与自动化学院深圳518055 广东省智变机构与适应性机器人重点实验室深圳518055

仿生扑翼飞行机器人模仿自然界鸟类和昆虫等生物的飞行方式,具有安全性强、迷惑性好等优点,在灾害救援、反恐防暴等方面具有极其重要的应用前景。为实现其在未知复杂环境下的自主飞行并执行探测任务,需研制一套集感知建图、规划避障与... 详细信息

仿生扑翼飞行机器人模仿自然界鸟类和昆虫等生物的飞行方式,具有安全性强、迷惑性好等优点,在灾害救援、反恐防暴等方面具有极其重要的应用前景。为实现其在未知复杂环境下的自主飞行并执行探测任务,需研制一套集感知建图、规划避障与飞控制导等功能模块为一体的导航系统。本文首先对扑翼飞行机器人的导航系统进行了概述,按照翼展大小将扑翼飞行机器人分为微小型和大中型两类,其次对比分析了国内外在微小型、大中型扑翼飞行机器人导航系统方面的主要研究进展。接着对自主导航系统所涉及到的感知定位与建图、运动规划与避障、轨迹跟踪与飞控制导等关键技术进行了分析总结,指出其局限性及亟待解决的问题。最后,对未来的研究趋势进行了展望,包括提升机载嵌入式计算能力、多模态信息融合、面向多模态飞行的流场感知、仿生视觉系统研究、群体感知与编队控制等热点方向。

关键词：扑翼飞行机器人自主导航系统感知与建图规划与避障飞控制导

绳驱7自由度仿人机械臂设计及其刚度建模与性能分析

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机械工程学报 2023年第17期59卷 17-32页

作者：吴志伟王博文闫磊徐文福哈尔滨工业大学(深圳)机电工程与自动化学院深圳518055 哈尔滨工业大学机器人技术与系统国家重点实验室哈尔滨150001

针对传统绳驱机械臂刚度小、末端精度低等问题,研制了一种同时具有轻质量、低惯量和高刚度、高精度特点的绳驱7自由度仿人机械臂系统。采用模块式思想,将整个机械臂分为肩部、肘部、腕部三部分,分别设计了基于闭环绳索驱动的单自由度肘... 详细信息

针对传统绳驱机械臂刚度小、末端精度低等问题,研制了一种同时具有轻质量、低惯量和高刚度、高精度特点的绳驱7自由度仿人机械臂系统。采用模块式思想,将整个机械臂分为肩部、肘部、腕部三部分,分别设计了基于闭环绳索驱动的单自由度肘关节和3自由度肩、腕部关节,在运动副上配置编码器用于检测关节位置,有效提升了关节控制精度。建立了“驱动空间-关节空间-任务空间”多重运动学模型,分析了肘部拮抗关节和腕部耦合关节的运动规律,简化了运动传递关系、提高了传动精度和效率。推导了机械臂关节的等效刚度表达式,分析了不同关节角下的刚度特性。最后,针对所研制的绳驱7自由度仿人机械臂开展了样机的关节刚度测试、末端精度测试、负载测试等性能测试。实验结果表明,设计的绳驱机械臂具有运动灵活、定位精度和刚度高等特点。

关键词：绳驱冗余机械臂拮抗关节双编码器等效刚度

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刚柔混合双臂空间机器人抓持-操作协同规划

宇航学报 2022年第10期43卷 1311-1321页

作者：胡忠华徐文福杨太玮梁斌聊城大学聊城252000 哈尔滨工业大学(深圳) 深圳518055 清华大学北京100084

针对狭小空间内的在轨维修操作,提出了一种基于受限空间可操作度优化的刚柔混合双臂协调轨迹规划方法。根据绳驱柔性臂的结构特性对其进行运动学等效,并完成了刚柔混合双臂等效运动学模型的建立,得到基座漂浮状态下的广义雅可比矩阵以... 详细信息

针对狭小空间内的在轨维修操作,提出了一种基于受限空间可操作度优化的刚柔混合双臂协调轨迹规划方法。根据绳驱柔性臂的结构特性对其进行运动学等效,并完成了刚柔混合双臂等效运动学模型的建立,得到基座漂浮状态下的广义雅可比矩阵以及对应的零空间投影矩阵。以任务操作方向上的可操作度为优化指标,通过零空间投影矩阵建立优化函数方程;同时基于分解运动速度控制,通过广义雅可比矩阵实现末端速度空间到关节速度空间的映射,实现了混合双臂抓持-操作目标的同步运动控制。最后,开发了基于联合仿真软件的混合双臂联合仿真系统,仿真结果验证了上述方法的有效性。

关键词：空间机器人协同路径规划可操作度

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三轴稳定航天器多领域统一建模与仿真平台

哈尔滨工业大学学报 2011年第9期43卷 74-80页

作者：徐文福梁斌李成哈尔滨工业大学深圳研究生院深圳518055 深圳航天东方红海特卫星有限公司深圳518057

为反映航天器系统涉及的多学科交互作用下的控制特性,开发了包含机械、电气、控制、软件等的多领域统一建模与仿真平台.该平台包含姿控软件、飞轮系统(电机及其驱动器、轴承摩擦、飞轮机构等)、磁力矩器、姿态敏感器、姿态动力学、轨道... 详细信息

为反映航天器系统涉及的多学科交互作用下的控制特性,开发了包含机械、电气、控制、软件等的多领域统一建模与仿真平台.该平台包含姿控软件、飞轮系统(电机及其驱动器、轴承摩擦、飞轮机构等)、磁力矩器、姿态敏感器、姿态动力学、轨道动力学、环境力矩等不同领域的模块,各模块由Modelica语言实现,有机集成一体.对两种典型的姿态控制模式——姿态建立及姿态机动的仿真表明,利用该仿真平台不但可分析整个系统的闭环控制性能,还可评估各领域部件对整体性能的影响.在航天器研制的各个阶段(方案、子系统、系统等)充分使用该平台,可实现多学科设计优化的目标.

关键词：航天器多领域建模仿真三轴稳定姿态控制

考虑迟滞及变形影响的主被动混合驱动绳驱空间机械臂运动学建模及求解

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机器人 2022年第1期44卷 45-54,65页

作者：杨太玮郑旭东徐文福刘天亮黄一帆梁斌哈尔滨工业大学(深圳)机电工程与自动化学院广东深圳518055 清华大学深圳国际研究生院广东深圳518055 清华大学自动化系北京100084

在绳驱空间机械臂的非结构化环境灵巧作业中,驱动绳索拉伸和臂段形变给机械臂的精确控制带来了困难。为此,本文提出一种改进运动学模型。首先,建立机械臂"驱动绳索长度-关节角度-末端位姿"的多重映射运动学模型;进一步考虑绳索迟滞、运... 详细信息

在绳驱空间机械臂的非结构化环境灵巧作业中,驱动绳索拉伸和臂段形变给机械臂的精确控制带来了困难。为此,本文提出一种改进运动学模型。首先,建立机械臂"驱动绳索长度-关节角度-末端位姿"的多重映射运动学模型;进一步考虑绳索迟滞、运动方向切换和臂段变形3种因素耦合影响,改进"驱动绳索长度-关节角"的映射模型。其次,设计试验平台,开展不同负载下的绳索迟滞量测定试验。最后,对比改进运动学模型仿真结果和绳驱空间机械臂样机试验数据。与理想几何模型的比较结果表明,长1110 mm的两段绳驱空间机械臂的末端绝对位置误差可减小15.2 mm;末端绝对位置误差减小61.4%,证明了改进运动学模型的有效性。

关键词：绳驱动空间机械臂迟滞及变形改进运动学

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核电站机器人研究现状与发展趋势

机器人 2011年第6期33卷 758-767页

作者：徐文福毛志刚哈尔滨工业大学深圳研究生院广东深圳518055

核机器人在核电站安全中起着极重要的作用.本文首先介绍了核电站的运行原理,并对其关键设施的安全性级别进行分类.然后从三个主要应用——关键设施维护、核辐射监测与预警、核事故处理与救援等方面,分析了各国核电站机器人的研究现状.最... 详细信息

核机器人在核电站安全中起着极重要的作用.本文首先介绍了核电站的运行原理,并对其关键设施的安全性级别进行分类.然后从三个主要应用——关键设施维护、核辐射监测与预警、核事故处理与救援等方面,分析了各国核电站机器人的研究现状.最后,归纳了其中的关键技术,并对未来的发展趋势进行了展望.

关键词：核电站机器人核辐射监测

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借助系绳实现卫星对异面轨道捕获

吉林大学学报（工学版） 2010年第5期40卷 1448-1453页

作者：何勇梁斌李成徐文福哈尔滨工业大学空间智能系统研究所哈尔滨150001

卫星对异面轨道捕获是通过燃料的消耗来实现的,然而燃料是不可再生的。针对这一问题,研究了借助系绳实现卫星对异面轨道捕获的方法。首先,根据系统动力学模型,推导出系绳剪断瞬间主星和子星的位置和速度的数学表达式,并提出实现卫星轨... 详细信息

卫星对异面轨道捕获是通过燃料的消耗来实现的,然而燃料是不可再生的。针对这一问题,研究了借助系绳实现卫星对异面轨道捕获的方法。首先,根据系统动力学模型,推导出系绳剪断瞬间主星和子星的位置和速度的数学表达式,并提出实现卫星轨道面改变的必要条件。其次,定性地分析了系绳参数对轨道倾角变化的影响。最后,结合仿真实例对轨道倾角的变化进行了定量分析。结果表明:系绳面外摆角的角速率是影响轨道倾角变化的主要因素,且其值越大,轨道倾角的变化值越大,然而轨道倾角变化值的增加会造成系绳拉力的变大,因此当此方法用于实现卫星的大倾角机动时,还需考虑系绳的拉力对轨道倾角变化的限制。

关键词：绳系卫星系统轨道捕获轨道参数轨道倾角

基于正交解调的科里奥利质量流量计信号处理方法研究

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仪器仪表学报 2005年第1期26卷 23-27,66页

作者：徐科军徐文福合肥工业大学自动化研究所合肥230009

研究基于正交解调的科里奥利质量流量计的信号处理方法。提出了表示质量流量信号和噪声的传感器输出信号的模型 ,给出了求解信号频率、幅值和相位差的计算公式 ,研究了两种滤波方式 ,设计了两种信号处理的方案。仿真结果表明 ,该研究方... 详细信息

研究基于正交解调的科里奥利质量流量计的信号处理方法。提出了表示质量流量信号和噪声的传感器输出信号的模型 ,给出了求解信号频率、幅值和相位差的计算公式 ,研究了两种滤波方式 ,设计了两种信号处理的方案。仿真结果表明 ,该研究方法是有效的。

关键词：正交解调信号处理方法信号频率仿真结果滤波输出信号相位差科里奥利质量流量计幅值传感器

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保持基座稳定的双臂空间机器人轨迹规划研究

自动化学报 2013年第1期39卷 69-80页

作者：徐文福王学谦薛强梁斌哈尔滨工业大学深圳研究生院深圳518055 深圳市数字化制造技术重点实验室深圳518055 深圳航天东方红海特卫星有限公司深圳518057

针对双臂空间机器人在轨执行任务中需要利用平衡臂稳定基座的问题,提出了两种典型应用需求—基座质心位置稳定、基座姿态和质心位置同时稳定的协调规划方法.首先,提出了"系统质心等效机械臂"的概念并推导其运动学模型,基于此模型的位置... 详细信息

针对双臂空间机器人在轨执行任务中需要利用平衡臂稳定基座的问题,提出了两种典型应用需求—基座质心位置稳定、基座姿态和质心位置同时稳定的协调规划方法.首先,提出了"系统质心等效机械臂"的概念并推导其运动学模型,基于此模型的位置级反解规划平衡臂的运动轨迹,使基座质心位置稳定在期望位置;其次,根据角动量守恒定律确定反作用飞轮的运动速度,将飞轮与平衡臂的运动相结合,同时稳定基座姿态和质心位置;最后,建立双臂空间机器人系统的多体动力学模型并开展仿真研究.所提出的方法克服了以往基于微分运动学所无法回避的奇异问题,且不对平衡臂的质量特性和安装位置作特殊规定,仿真结果证明了方法的有效性.

关键词：空间机器人双臂协调目标捕获路径规划