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基于空中桥接的无人机稳定组网规划研究

基于空中桥接的无人机稳定组网规划研究

作者：杨铖浩哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

组网是无人系统应用领域里一项很有前景的技术。无人机稳定组网是指无人机与其周边环境中的其他无人系统存在某种意义下的拓扑连接关系，通过组网的方式可以延长系统的通信距离，拓展任务覆盖面，增强任务执行的可靠性。空中桥接的无人... 详细信息

组网是无人系统应用领域里一项很有前景的技术。无人机稳定组网是指无人机与其周边环境中的其他无人系统存在某种意义下的拓扑连接关系，通过组网的方式可以延长系统的通信距离，拓展任务覆盖面，增强任务执行的可靠性。空中桥接的无人机集群具备构建无人系统通信拓扑网络的功能，其中以固定翼无人机为代表的无人系统具有续航时间长、观测范围大等优点，相比旋翼无人机更适合执行组网任务。本文以无人机执行稳定组网任务为背景，研究系统执行组网区域覆盖与阵形部署任务以及运动学约束下的无人机组网路径规划任务问题。　　组网任务的完成效果取决于组网区域覆盖与路径规划算法的性能。在无人机桥接组网任务研究问题模型的基础上，本文研究了空中桥接的无人机组网区域覆盖与阵形部署算法。在求解带有空中桥接等复杂约束条件的优化问题时，本文采用贪心算法与粒子群算法分别对已知和未知组网区域内任务点分布信息的情况进行求解，并实现对组网区域覆盖率的优化。　　在运动学约束下的无人机组网路径规划算法研究方面，本文特别考虑了实际中执行组网任务的固定翼无人机模型，并进行运动学约束下的期望组网路径规划。本文采用了基于Dubins曲线的最短路径规划与路径调整策略相结合的方法，先规划满足无人机运动学约束的最短限曲率路径再通过路径延长方法规划期望路径。然后在此基础上提出一种组合路径延长算法，能够根据几种路径调整策略的适用条件灵活选用不同的路径调整方法。后续又研究了无人机直接到达静止任务点、无人机到达组网区域、无人机桥接移动任务点三类场景下的组网路径规划方法应用。　　本文通过仿真实验验证了所提出的组网区域覆盖与路径规划算法的有效性。本文设计的空中桥接的无人机组网区域覆盖与阵形部署算法能够完成复杂约束条件下的无人机可行的部署方案搜索，同时相比随机搜索算法提升了组网区域覆盖率。本文设计的无人机组网路径规划算法能够实现满足运动学约束的三类场景下的期望长度路径规划功能的同时，提高组网任务的综合价值。

关键词：无人机组网规划空中桥接区域覆盖阵形部署路径规划运动学约束

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微创手术机器人震颤机理及其抑制方法研究

微创手术机器人震颤机理及其抑制方法研究

作者：杨铖浩天津工业大学

学位级别：硕士

微创外科手术机器人具有灵活的自由度、运动缩放和3D视觉等优点,是高新科技与先进医学结合的典型产物。然而,在手术过程中,手术器械末端存在不同程度的震颤现象,降低了手术器械的运动精度,影响了手术质量及安全性,增加了如缝合、打结等... 详细信息

微创外科手术机器人具有灵活的自由度、运动缩放和3D视觉等优点,是高新科技与先进医学结合的典型产物。然而,在手术过程中,手术器械末端存在不同程度的震颤现象,降低了手术器械的运动精度,影响了手术质量及安全性,增加了如缝合、打结等精细动作的难度。针对上述问题,本文分析了机器人震颤产生的主要机理,提出了相应的震颤抑制方法,构建了微创手术机器人主从控制系统实验平台并进行验证。论文的主要研究内容如下:首先,本文试图从医生的不光滑操作指令、机器人动力学行为等角度研究震颤产生的机理,通过仿真及实验得出导致手术器械末端震颤现象的主要因素。其次,针对医生手部生理震颤现象,提出了基于新型零相位自适应模糊卡尔曼滤波器(ZPAFKF)的震颤抑制方法。通过对震颤信号的零相位采集滤波并以相同幅值相反相位实时叠加至原始指令信号中,得到光滑无生理震颤的理想指令,避免了传统低通滤波器容易造成有效信息丢失及相位延迟的缺点。再次,针对微创手术机器人动力学行为特别是关节内非线性摩擦导致的"粘滑行为",提出了基于模糊神经网络滑模控制器(FNNSMC)的震颤抑制方法。在传统滑模控制器的基础上,通过对各关节摩擦力矩的离线辨识以及神经网络、模糊逻辑控制器对无关干扰的在线补偿,得到平滑的末端运动轨迹点。避免了传统PD控制器在低速状态下"爬行"及"平顶"现象和传统滑模控制器在控制律切换时的"抖振"现象,同时构造李雅普诺夫函数,证明了控制器的稳定性。最后,为验证以上两种震颤抑制方法的有效性,进行了仿真和实验研究。结果表明,两种方法能有效地抑制微创手术机器人手术器械末端震颤现象,提高末端点的运动精度。

关键词：微创手术机器人震颤机理零相位自适应模糊卡尔曼滤波器模糊神经网络滑模控制器震颤抑制

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会思考的机器——机械智能

机械工程学报 2018年第13期54卷 15-24页

作者：康荣杰杨铖浩杨名远陈焱天津大学机构理论与装备设计教育部重点实验室天津大学机械工程学院

第三次工业革命后,电子信息技术得到了飞速发展,人们习惯于将机械系统视为冰冷的被控对象,一切动作和响应都依靠中央控制器发出的指令而执行。然而,自古以来机械结构就以其巧妙的设计和组合,对人们的生产和生活发挥着重要的作用。如今,... 详细信息

第三次工业革命后,电子信息技术得到了飞速发展,人们习惯于将机械系统视为冰冷的被控对象,一切动作和响应都依靠中央控制器发出的指令而执行。然而,自古以来机械结构就以其巧妙的设计和组合,对人们的生产和生活发挥着重要的作用。如今,随着机构学、机器人学和材料学等的发展,重新审视这些会思考的机器,并引出了机械智能的概念。基于此,总结传统机构、柔性机构及机器人中所展现的机械智能,并对其中涉及的科学问题进行概述。对机械智能和机械控制系统的关系进行讨论。机械智能以其系统可靠性、快速响应性和人机交互安全性等优点必将成为今后智能机器或机器人发展的重要方向之一。

关键词：机械智能机械反馈柔性机构机器人

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丝驱动连续型机器人的建模与避障控制

天津大学学报（自然科学与工程技术版） 2021年第6期54卷 651-660页

作者：康荣杰刘跃耿仕能杨铖浩天津大学机构理论与装备设计教育部重点实验室天津300350 中国科学院沈阳自动化研究所机器人学国家重点实验室沈阳110016

连续型机器人是一种基于章鱼触手、象鼻等生物器官仿生的新型机器人,其不具有刚性连杆和离散关节,因而具有优越的柔顺性和灵活性,在微创手术、狭小环境探测救援、空间操作等领域具有非常广阔的应用前景,逐渐成为新的研究热点.然而它的... 详细信息

连续型机器人是一种基于章鱼触手、象鼻等生物器官仿生的新型机器人,其不具有刚性连杆和离散关节,因而具有优越的柔顺性和灵活性,在微创手术、狭小环境探测救援、空间操作等领域具有非常广阔的应用前景,逐渐成为新的研究热点.然而它的柔顺性和超冗余的特点也给连续型机器人的建模和控制带来了极大的考验.针对以上问题,搭建多模块丝驱动连续型机器人物理样机,并基于堆叠的两自由度并联机构拟合机器人本体构型,利用DH参数法分析其运动学和速度雅可比矩阵,基于集中质量原理建立其牛顿-欧拉动力学模型,进而通过末端位置反馈搭建连续型机器人的闭环控制系统.面对多障碍的复杂环境,通过构造障碍势函数评估机器人与障碍物之间的距离变化,在机器人轨迹控制中,合理地选择运动学求逆运算时的雅可比矩阵零空间变量,控制机器人在机械臂本体改变构型躲避障碍物的同时末端保持轨迹跟踪.分别对机器人进行末端轨迹跟踪与避障控制的仿真和实验验证,观察机器人的末端轨迹误差与构型变化,以评估机器人模型、控制闭环与避障算法的正确性.仿真和实验结果均表明机器人具有良好的运动控制和避障能力.该研究工作为连续型机器人在复杂实际应用环境中的构型控制和安全操作提供了思路与方法支持.

关键词：连续型机器人运动学动力学零空间避障

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基于雅可比矩阵的连续型机器人灵活性分析

天津大学学报（自然科学与工程技术版） 2020年第4期53卷 341-348页

作者：康荣杰王聪耿仕能杨铖浩天津大学机构理论与装备设计教育部重点实验室天津300350 天津工业大学机械工程学院天津300387

连续型机器人是一种新型的仿生机器人,由于其内在的柔顺结构,适合在狭小复杂等领域中进行探测、抓持等操作.相比于传统的刚性机器人,连续型机器人不仅具有更高的安全性,而且有望获得更高的灵活性,但是目前却很少有针对连续型机器人的灵... 详细信息

连续型机器人是一种新型的仿生机器人,由于其内在的柔顺结构,适合在狭小复杂等领域中进行探测、抓持等操作.相比于传统的刚性机器人,连续型机器人不仅具有更高的安全性,而且有望获得更高的灵活性,但是目前却很少有针对连续型机器人的灵活性展开分析的研究.针对这种情况,设计开发了一种采用模块化关节的连续型机器人,基于运动学模型与雅可比矩阵等相关概念,对连续型机器人的局部灵活性指标以及全域灵活性指标进行了定义和计算,并发现当机器人的总长在一定范围内、采用不同关节长度设计时,对应的工作空间中各末端点灵活性分布存在较大的差异.而后,结合连续型机器人的结构特点,引入粒子群仿生优化算法,利用灵活性来指导机器人的关节长度设计,使机器人获得全域灵活性指标下最优的关节灵活性.最后,引入操作灵敏度指标来对采用最优关节长度设计的连续型机器人进行直观的灵活性仿真与实验验证,并与传统的各关节长度一致的结构设计进行了对比实验.结果揭示了机器人灵敏度指标与基于雅可比矩阵条件数的灵活性指标之间的关系,即灵活性较高的末端点其各向灵敏度分布亦较为均匀.

关键词：连续型机器人灵活性运动学模型雅可比矩阵结构设计

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具有震颤抑制的微创机器人主从控制系统设计

计算机工程与应用 2018年第1期54卷 235-239,263页

作者：杨铖浩桑宏强刘芬贠今天陈发天津工业大学机械工程学院天津300387 天津市现代机电装备技术重点实验室天津300387

详述了一种用于抑制微创手术机器人震颤现象的主从控制系统,提出了针对人手生理震颤的新型零相位滤波方法及针对从操作臂关节"粘滑行为"的前馈补偿PD伺服算法。新型零相位滤波避免了传统低通滤波器容易造成延时和传统零相位滤波无法在... 详细信息

详述了一种用于抑制微创手术机器人震颤现象的主从控制系统,提出了针对人手生理震颤的新型零相位滤波方法及针对从操作臂关节"粘滑行为"的前馈补偿PD伺服算法。新型零相位滤波避免了传统低通滤波器容易造成延时和传统零相位滤波无法在线使用的缺点,前馈补偿PD伺服算法通过摩擦补偿克服了非线性摩擦对从操作臂运动造成的影响。最后,对系统进行仿真及实验,结果表明该方法能有效地抑制机器人手术工具末端的震颤现象。

关键词：微创手术机器人运动学主从控制系统零相位滤波摩擦补偿

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一种六自由度丝传动微创手术器械的设计

机械科学与技术 2017年第2期36卷 239-244页

作者：桑宏强常丽敏刘芬杨铖浩许丽萍天津工业大学机械工程学院天津300387 天津工业大学工程实训中心天津300387

为了更好地满足微创手术器械对运动灵活性和工作空间的要求,设计了一种六自由度丝传动微创手术器械。此手术器械的6个自由度包括:肩关节偏转自由度、肘关节俯仰自由度、腕关节俯仰自由度、自转自由度、指关节偏转自由度和手指的开合自... 详细信息

为了更好地满足微创手术器械对运动灵活性和工作空间的要求,设计了一种六自由度丝传动微创手术器械。此手术器械的6个自由度包括:肩关节偏转自由度、肘关节俯仰自由度、腕关节俯仰自由度、自转自由度、指关节偏转自由度和手指的开合自由度。本微创手术器械在手指部分设计了快换手指,可以有效的节约在手术过程中更换手术器械的时间,同时减少了手术器械的成本。在手术器械结构设计的基础上对手术器械进行了运动学和工作空间分析。最后进行了运动学仿真,通过比较Solid Works仿真和MATLAB运算中得到的三维空间手术器械末端运动轨迹,验证了手术器械结构的合理性和运动学的正确性。

关键词：手术器械丝传动快换手指运动学分析工作空间

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钢丝绳传动机器人运动学的支路分析方法

计算机工程与应用 2017年第4期53卷 45-50页

作者：桑宏强陈发刘芬杨铖浩许丽萍天津工业大学机械工程学院天津300387 天津市现代机电装备技术重点实验室天津300387

通过研究分析一类N+1条钢丝绳驱动N个自由度机器人的运动学,其运动学可通过推导移去钢丝绳后开环链机器人关节空间与笛卡尔空间之间的运动学关系和关节空间与驱动空间之间的运动学关系来完成。在基本回路、共轴条件和传动线运动学分析... 详细信息

通过研究分析一类N+1条钢丝绳驱动N个自由度机器人的运动学,其运动学可通过推导移去钢丝绳后开环链机器人关节空间与笛卡尔空间之间的运动学关系和关节空间与驱动空间之间的运动学关系来完成。在基本回路、共轴条件和传动线运动学分析的基础上,提出了用支路矩阵和等效半径矩阵描述钢丝绳传动机器人运动学的支路分析方法。根据钢丝绳传动原理,通过观察法可直接列写支路矩阵和驱动空间等效半径矩阵,从而得到了驱动空间与关节空间之间的运动学映射关系,解耦了由于钢丝绳传动导致机器人关节间的运动耦合。结合传统机器人运动学,实现了驱动空间、关节空间和笛卡尔空间完整运动学映射关系,加快和简化了钢丝绳传动机器人运动学建模和分析过程。以Stanford/JPL手指为例进行了运动学分析和仿真,验证了用支路矩阵和等效半径矩阵描述钢丝绳传动机器人运动学支路分析方法的正确性,为钢丝绳传动机构的设计、运动学分析与控制奠定了基础。

关键词：钢丝绳传动运动学支路矩阵等效半径矩阵支路分析方法

基于外力观测器的MIS机器人双边力反馈控制

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控制工程 2018年第12期25卷 2184-2190页

作者：桑宏强陈发刘芬贠今天杨铖浩天津工业大学机械工程学院天津300387 天津工业大学工程实训中心天津300387 天津市现代机电装备技术重点实验室天津300387

针对现有微创外科手术机器人缺乏力感知和力反馈问题,提出了基于外力观测器的微创机器人鲁棒滑模双边力反馈控制结构。设计了非线性外力观测器,用于实现主从机器人的外力观测。为获得准确的外力观测,需要对摩擦和扰动进行补偿,确定关节... 详细信息

针对现有微创外科手术机器人缺乏力感知和力反馈问题,提出了基于外力观测器的微创机器人鲁棒滑模双边力反馈控制结构。设计了非线性外力观测器,用于实现主从机器人的外力观测。为获得准确的外力观测,需要对摩擦和扰动进行补偿,确定关节摩擦为Stribeck模型,采用遗传算法对模型中参数予以辨识,采用等效法对扰动进行补偿。为实现准确的轨迹跟踪和保证系统的稳定性,设计了鲁棒滑模控制器。通过仿真和实验对所提出的控制结构进行了验证,结果表明所提出的双边力反馈控制结构,能够实现无力传感器下外力的准确观测,同时具有仅通过位置.位置的硬件结构获得位置.力硬件结构的优点,为无力传感器下的主从运动控制奠定了研究基础。

关键词：微创外科机器人外力观测器鲁棒滑模控制双边力反馈摩擦和扰动补偿