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信息与控制 2020年第1期49卷 69-77页

作者：朱威郭宪方勇纯张学有南开大学人工智能学院天津300350

蛇形机器人通过改变自身的形状可以在复杂的地形环境中有效地运动,然而传统的一体化设计面临着任务搜救效率低、机器人本体维修困难、机体灵活性差等挑战性问题.针对这些问题,本文研制了新一代可重构模块化蛇形机器人并研究了相应的多... 详细信息

蛇形机器人通过改变自身的形状可以在复杂的地形环境中有效地运动,然而传统的一体化设计面临着任务搜救效率低、机器人本体维修困难、机体灵活性差等挑战性问题.针对这些问题,本文研制了新一代可重构模块化蛇形机器人并研究了相应的多模态运动方法.具体而言,新型蛇形机器人可以由任意多个模块通过连接机构重构而成,每个模块都是集成了驱动、控制、通信、电源于一体的可独立运动的单元,模块之间的连接机构采用新型的便于切换的勾爪-插销机构.另外,本文针对该可重构模块化蛇形机器人进行了多模态运动方法研究,具体包括轮式机器人运动模态、平面蜿蜒模态、侧向蜿蜒模态、行波模态、攀爬模态、自主拆分模态等,并具体分析了攀爬运动及单模块转弯运动的性能.最后,基于自主研发的可重构模块化蛇形机器人样机对每种运动模态进行了实验验证.

关键词：可重构模块化机器人蛇形机器人多运动模态

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针尖状纳米颗粒微型机器人的多模态运动与路径跟随控制

针尖状纳米颗粒微型机器人的多模态运动与路径跟随控制

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作者：郝智明中国科学院大学(中国科学院深圳先进技术研究院)

学位级别：硕士

微型机器人技术的发展为人类探索微观世界的奥秘提供了便利。微型机器人能在狭窄空间与极端环境中运动自如,并有望为精密加工,靶向给药,微创手术,微操作与微组装等诸多领域带来技术革新。然而,随着需求的升级,单个微型机器人在一些应用... 详细信息

微型机器人技术的发展为人类探索微观世界的奥秘提供了便利。微型机器人能在狭窄空间与极端环境中运动自如,并有望为精密加工,靶向给药,微创手术,微操作与微组装等诸多领域带来技术革新。然而,随着需求的升级,单个微型机器人在一些应用场景中存在着功能单一,灵活性差,效率低以及成像困难等问题。在微观尺度下,科研人员从自然界中生物集群的协同工作中获取灵感,通过磁场力将磁性纳米颗粒聚集并以特定的运动模态实现协同运动。由纳米颗粒自组装而成的微型机器人能够根据不同的任务场景灵活地变换运动模态并高效地执行任务。本课题将从磁性纳米颗粒基本的磁化与磁驱动理论入手,阐述针尖状纳米颗粒微型机器人的形成过程,通过建模分析该微型机器人的多模态运动,针对每种运动模态设计相应的实验场景,并分别以每种运动模态完成平面内路径跟随任务。本课题以Fe O悬浮液为实验材料,介绍了该磁性纳米颗粒在磁场中的基本磁化与磁驱动理论,以纳米颗粒链为受力分析的最小单元分析了纳米颗粒链在磁力、流体阻力、摩擦力等的共同作用下通过聚集与融合形成针尖状微型机器人的过程。为了验证上述理论分析,并使后续实验研究顺利进行,提高实验效率,本课题基于C++Qt框架自主设计开发了一套适配三维Helmholtz线圈系统的磁场调节与微型机器人操控上位机软件。该软件采用多线程的设计思想,包括主线程,视觉反馈线程,质心追踪与控制算法线程,以及三维Helmholtz线圈组电流调节线程。兼备磁场类型选择与切换,磁场参数调节,三维空间磁场方向指示,微型机器人视觉监控与反馈,目标质心追踪,一键路径跟随等功能,界面美观且易于交互。随后,本课题研究了该针尖状纳米颗粒微型机器人的多模态运动。通过施加不同类型的磁场,该针尖状微型机器人共可实现三种不同的运动模态。当施加不同振荡类型的振荡磁场时,可使微型机器人沿其长轴方向或短轴方向运动(简称轴向运动或横向运动),当施加垂直于水平面的旋转磁场时,可使微型机器人翻滚运动。本课题通过理论建模分析了不同运动模态的运动速度与针尖状纳米颗粒微型机器人长度以及外加磁场频率的关系,并通过测速实验验证了理论推导。此外,本课题结合每种运动模态的运动特点,设计了展示针尖状纳米颗粒微型机器人灵活性的实验场景。例如,通过轴向运动完成了口罩无纺布层的穿透实验,通过翻滚运动完成了翻越台阶障碍物的任务。最后,本课题研究了一种适用于多运动模态,具有良好迁移性的双闭环路径跟随控制算法。该控制算法以纳米颗粒微型机器人路径跟随的最优位置为外环,以最优前进方向为内环。本课题以纳米颗粒微型机器人的轴向运动、横向运动、翻滚运动三种运动模态分别完成了平面内同一条“S”型参考路径的路径跟随任务,验证了该路径跟随闭环控制算法的有效性和鲁棒性。此外,本研究对上述三种运动模态分别执行路径跟随任务的实验结果进行了分析与评价。

关键词：微型机器人纳米颗粒多运动模态路径跟随

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面向特种应用的可穿戴式导航系统关键技术研究

面向特种应用的可穿戴式导航系统关键技术研究

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作者：张苗南京航空航天大学

学位级别：硕士

近年来,可穿戴式导航定位设备逐步在民用化市场得到普及,而大多数民用级便携式行人导航设备采用的是GPS卫星定位与无线通信技术相结合的定位原理,在卫星定位信号良好的空旷区域可以获得良好的定位效果,但是在大型超市、商场、隧道、丛... 详细信息

近年来,可穿戴式导航定位设备逐步在民用化市场得到普及,而大多数民用级便携式行人导航设备采用的是GPS卫星定位与无线通信技术相结合的定位原理,在卫星定位信号良好的空旷区域可以获得良好的定位效果,但是在大型超市、商场、隧道、丛林和山谷等卫星导航信号易受干扰或屏蔽的特种应用环境中,该类型设备的导航定位功能将受到严重影响。特别在某些特种行业领域,如井下勘探、消防救援、野外搜救等应用场景,特种作业人员携带以GPS为基础的导航定位设备在执行特定任务时,所携带的导航定位设备容易失效或者定位错误,给救援任务和特种作业带来极大的困难,严重时甚至将危及使用人员的人身安全;此外,特种作业人员在执行任务时可能出现弓步、跳跃、后退等多种复杂运动模态,所携带的导航定位设备还必须适应复杂多变的人体运动状态。为此,针对特种作业人员所处环境恶劣、运动模态复杂等特点,迫切需要研究低成本高可靠的特种应用环境下的导航技术,以满足特种作业人员的导航需求。鉴于此,论文从可穿戴式行人导航总体实现方案出发,结合特种作业任务对导航系统的性能需求,研究面向特种应用的可穿戴式导航系统关键技术。针对特种作业人员运动过程中存在多运动模态下的导航定位问题,在Hanavan 15刚体人体模型的基础上,将人体模型简化为4关节5连杆结构并进行了运动学建模;在此基础上对可穿戴式传感器的最优配置方案进行了研究,确定了传感器的足部安装位置;研究了跑步、跳跃、后退、弓步前进等多运动模态下的惯性传感器输出信息特征,提出了面向特种应用的人体多运动模态辨识方法,并验证了该方法的有效性。针对足部捷联惯性解算结果随时间发散而造成累积误差的问题,研究了人体运动时存在的零速步态的检测原理,提出了适应多运动模态的足部零速多条件综合判断方法,通过构建零速量测信息对纯捷联解算结果进行修正;针对运动过程中航向误差未得到有效修正的问题,提出了基于多运动模态辨识的惯性误差组合滤波修正方法,通过零速时刻的航向自观测建立对航向和位置误差的估计模型,有效提高了人体运动过程中的航向精度,提升了可穿戴式导航系统的定位精度。针对特种作业人员在运动过程中存在机会导航信息的可能,论文研究了基于RSSI位置指纹的Wi Fi定位算法。通过仿真和实际数据采集分别研究了影响Wi Fi信号强度值的因素以及Wi Fi信号源布局对定位精度的影响;研究了位置指纹库中的指纹特征信息,设计了基于指纹特征约束的KNN匹配定位方法以提高匹配精度;最后通过实际数据采集,验证了利用特种应用环境中的有效机会信息以提高导航精度和系统性能的可行性。为了对本文所研究的面向特种应用的可穿戴式导航系统关键技术的实际可行性,搭建了可穿戴式导航系统性能验证平台,设计了验证平台的核心模块,并结合本文所研究关键技术对可穿戴式导航系统性能进行了验证。实验表明,本文所提出的方法有助于提高可穿戴式导航系统的定位精度。论文的研究成果为面向特种应用的可穿戴式导航系统的工程实现提供了重要参考,具有较强的理论意义和工程实用价值。

关键词：特种应用多运动模态惯性组合滤波位置指纹 KNN定位

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磁控软体微型机器人的路径跟随控制研究

磁控软体微型机器人的路径跟随控制研究

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作者：黄晨阳中国科学院大学(中国科学院深圳先进技术研究院)

学位级别：硕士

从大自然中获取了设计微型机器人的灵感,这些机器人可以在狭窄的、人类无法到达的区域中运动,并执行对环境无创的任务,例如微装配、细胞操作、污染物降解、微创治疗、定向诊断和靶向给药等。在过去的十年中,这一领域在许多方面正在发生... 详细信息

从大自然中获取了设计微型机器人的灵感,这些机器人可以在狭窄的、人类无法到达的区域中运动,并执行对环境无创的任务,例如微装配、细胞操作、污染物降解、微创治疗、定向诊断和靶向给药等。在过去的十年中,这一领域在许多方面正在发生变化,其中最重要的变化包括从硬质刚性结构到软体柔性结构转变、从开环控制到闭环控制转变、从单一运动模态到多运动模态的转变。与硬质的微型机器人相比,依靠功能材料弯曲或形变产生运动的软体微型机器人在动态的复杂环境中表现出更高的适应能力。然而,由于软体微型机器人运动的复杂性,其结构设计、驱动设计、运动控制是具有挑战的。本课题围绕软体微型机器人驱动系统、控制系统、以及多运动模态设计与建模展开了深入研究。首先,针对磁驱动软体微型机器人运动机制、磁驱动原理,设计并开发了一整套具有友好交互性的多自由度磁驱动微型机器人操控系统。该系统包含了主控制线程、线圈驱动线程、视觉反馈线程、GUI用户交互界面线程等模块,可以实时监控和虚拟重建微型机器人及周边环境状态。该系统可以实现多种磁场的生成与控制,包括恒定、旋转、振荡、锥形、脉冲等磁场,以及用户自定义磁场。通过开放的接口设计,研究人员可以基于该系统设计出针对不同磁驱动微型机器人的驱动与操控方案。其次,提出了一种基于视觉伺服的路径跟随控制算法并实现了毫米级磁驱动软体微型机器人3D任意路径的跟随控制。三维任意路径由关键点序列表示,相邻点之间连接成的线段作为路径子段,相比于复杂的曲线方程具有更简便和高效。三维路径跟随控制任务可以看作是多个路径子段任务的集合,是一个迭代的过程。基于该控制算法设计的交互系统中,用户可以通过3D绘图鼠标绘制任意曲率的3D参考路径。最后,设计了一种新型的具有多种运动模态的基于水凝胶材质的软体薄膜微型机器人。该软体微型机器人具有带磁性的头部和功能性薄膜做成的尾部,可以通过外界可编程磁场驱动并实现多种运动模态,如爬行、摆动、翻滚和螺旋推进,以及不同模态之间可控的、可逆的转换,有利于机器人在动态的、多样的、复杂的环境中执行任务。此外,还分析了该多运动模态软体微型机器人的运动模型,建立了力学简化模型。实验演示了该软体微型机器人在多种复杂环境下运动,包括爬台阶、越高墙、钻低矮通道和狭窄缝隙。对比性实验分析了影响微型机器人运动性能的因素,并一步验证了力学模型的准确性。

关键词：软体机器人运动控制多运动模态磁操控

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