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模块化可重构机器人动力学研究进展 被引量：1
1
作者 周柏李 方虹斌 徐鉴 《动力学与控制学报》 2023年第1期1-17,共17页
模块化可重构机器人由于其构型多变,运动形式丰富等特点,可以在非结构化环境或未知环境中执行任务,在最近几年迅速成为机器人研究领域的前沿和热点.模块化可重构机器人在军事、医疗、教育等众多工程领域具有广泛的应用前景,其典型代表... 模块化可重构机器人由于其构型多变,运动形式丰富等特点,可以在非结构化环境或未知环境中执行任务,在最近几年迅速成为机器人研究领域的前沿和热点.模块化可重构机器人在军事、医疗、教育等众多工程领域具有广泛的应用前景,其典型代表包括仿生多足模块化机器人、模块化可重构机械臂、晶格式模块化机器人等.模块化可重构机器人丰富的构型设计、多样的连接特征、不断拓展的应用范围,给动力学建模与控制带来了很多挑战和机遇.本文首先阐述了模块化可重构机器人的研究背景和意义,并概述了其构型分类与设计、构型描述与运动学建模方法.随后,本文系统回顾了模块化可重构机器人动力学研究中相关问题的最新进展,包括:(1)系统整体动力学建模;(2)结合面以及对接机构动力学建模;(3)基于动力学模型的控制方法.本文最后提出了模块化可重构机器人动力学研究中若干值得关注的问题. 展开更多
关键词 模块化可重构机器人 构型分类 动力学建模 结合面建模 动力学控制
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一款仿蚯蚓机器人的纤维驱动特性建模与辨识 被引量：2
2
作者 刁斌斌 徐鉴 +1 位作者 何健锋 张晓旭 《动力学与控制学报》 2023年第2期1-11,共11页
针对一款Yoshimura折纸结构仿蚯蚓移动机器人,本文提出了基于人工肌肉纤维驱动的折展-纤维机器人新构型.该人工肌肉纤维为镀银尼龙线材质,以电热方式实现纤维收缩驱动,是一种典型的力电热耦合材料.考虑到其力电热耦合特性尚未明确,本文... 针对一款Yoshimura折纸结构仿蚯蚓移动机器人,本文提出了基于人工肌肉纤维驱动的折展-纤维机器人新构型.该人工肌肉纤维为镀银尼龙线材质,以电热方式实现纤维收缩驱动,是一种典型的力电热耦合材料.考虑到其力电热耦合特性尚未明确,本文首先基于第一性原理提出了等长收缩状态下驱动电流-纤维温度微分模型,并通过NSGA-Ⅱ算法精确辨识了模型各参数.进一步,基于数据驱动建模方式明确了等长收缩状态下纤维温度-收缩力关系以及等温收缩状态下纤维变形-收缩力关系,最终实现了人工肌肉纤维力电热耦合特性的精确刻画,为新型仿蚯蚓移动机器人的运动性能分析和优化提供了理论基础. 展开更多
关键词 仿蚯蚓机器人 Yoshimura折纸 纤维驱动 力电热耦合 参数辨识
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基于改进快速行进平方法的多移动机器人聚集路径规划与控制 被引量：1
3
作者 黄斌 俞凯文 +1 位作者 周柏李 方虹斌 《动力学与控制学报》 2023年第12期96-106,共11页
针对多移动机器人聚集的路径规划与控制问题,本文提出了基于改进快速行进平方法的路径规划策略.首先,运用分段函数改进了速度图,实现了更安全、更高效的路径规划,可以将快速行进网格地图上的速度映射到真实机器人速度上,并且减少传统快... 针对多移动机器人聚集的路径规划与控制问题,本文提出了基于改进快速行进平方法的路径规划策略.首先,运用分段函数改进了速度图,实现了更安全、更高效的路径规划,可以将快速行进网格地图上的速度映射到真实机器人速度上,并且减少传统快速行进平方法在回溯路径过程中产生的冗余路径;接着,针对多移动机器人聚集过程总能耗最小、聚集点附近空间最大、聚集队形约束下的聚集过程总能耗最小三种任务需求,分析设计不同的目标函数,给出多移动机器人的聚集点和对应规划路径,展示本文方法的有效性以及在不同场景下的适用性.最后,在车辆动力学模型基础上,使用模型预测控制以改进后的快速行进网格地图上的速度作为机器人参考速度进行了轨迹跟踪仿真实验,实现结果显示跟踪误差减小,验证了本文改进速度场的有效性,可适用于真实环境下多移动机器人聚集路径规划与控制. 展开更多
关键词 快速行进平方法 多移动机器人 聚集 路径规划 模型预测控制
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具有非完整约束移动机器人的超宽带-惯导-里程计融合定位与能观测性分析 被引量：2
4
作者 周柏李 方虹斌 徐鉴 《动力学与控制学报》 2022年第6期64-75,共12页
为解决现有超宽带-惯导组合定位系统在轮式移动机器人的定位精度低、依赖高精度IMU等问题,提出了一种采用误差状态卡尔曼滤波融合超宽带-惯导-里程计的定位算法,利用里程计的线速度测量和由非完整约束隐含的伪测量,提高了移动机器人的... 为解决现有超宽带-惯导组合定位系统在轮式移动机器人的定位精度低、依赖高精度IMU等问题,提出了一种采用误差状态卡尔曼滤波融合超宽带-惯导-里程计的定位算法,利用里程计的线速度测量和由非完整约束隐含的伪测量,提高了移动机器人的位置和姿态估计精度.同时,对于由多传感器测量模型组成的非线性系统,通过基于李导数的能观性秩条件分析方法对该系统的能观测性进行了详细的理论分析与数学证明,得到了系统局部弱可观的条件,从而确定了系统状态可以被无偏估计所需要的测量输出以及控制输入.仿真结果表明,在满足能观测性条件时,本文提出的方法能够有效地获得移动机器人较准确的六自由度位姿,且相比传统方法显著提升了定位精度. 展开更多
关键词 多传感器融合 非完整约束 能观测性 误差状态卡尔曼滤波
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精确抓握力量控制的脑动力学研究
5
作者 张娜 李可 +2 位作者 侯莹 张冬梅 魏娜 《中国生物医学工程学报》 CAS CSCD 北大核心 2020年第6期711-718,共8页
精确抓握是人类完成多种精细复杂操作的基础,其神经控制机制极其复杂。目前对于精确抓握力量调节时大脑的动力学变化机制尚不明确。探究不同力幅度下精确抓握控制的指力行为和脑电动力学特征。12名健康右利手受试者被要求在10%、20%和30... 精确抓握是人类完成多种精细复杂操作的基础,其神经控制机制极其复杂。目前对于精确抓握力量调节时大脑的动力学变化机制尚不明确。探究不同力幅度下精确抓握控制的指力行为和脑电动力学特征。12名健康右利手受试者被要求在10%、20%和30%最大自主收缩力(MVC)等3个力量水平下进行精确抓握的力量控制,同时采集运动过程中拇指和食指的力信号、压力中心点(COP)轨迹以及脑电信号(EEG),并分别使用变异系数(CV)、COP速度和COP面积以及递归定量分析(RQA)进行量化评估。结果显示,拇指和食指的指尖力信号的CV与力量水平呈现线性正相关(拇指:r=0.624,P<0.001;食指:r=0.721,P<0.001);拇指和食指在30%MVC力量水平的COP面积分别为(1.94±1.21)和(2.02±1.45) mm2,显著大于在10%MVC((1.01±0.81)、(0.89±1.02) mm2)和20%MVC((1.20±0.62)、(1.16±0.63) mm2,P<0.05)时的COP面积。拇指在10%,20%和30%MVC下x和y轴的COP速度分别为(4.23±1.11)、(2.11±0.50)、(1.70±0.40) mm/s和(6.22±1.45)、(3.39±0.70)、(2.90±0.69) mm/s,呈现随着力量水平的增加而逐级下降的趋势(P<0.01),而10%MVC下的食指x和y轴的COP速度((4.95±1.34)、(7.04±1.75) mm/s)显著高于20%MVC((2.78±0.53)、(3.79±0.63) mm/s)和30%MVC ((2.95±0.94)、(3.54±0.82) mm/s,P<0.05)。随着力量水平的增加,EEG信号α频带的RQA参数显著下降(P<0.05)。研究表明,随着力量水平的增加,力量波动性、EEG信号的复杂性增加,手指的调整速度和控制稳定性降低,EEG信号的α频带与精确抓握的运动控制密切相关。研究揭示精确抓握指力的指力控制与中枢神经系统的动力学行为有密切耦联,为深入研究中枢外周协同工作机制、定量评估神经肌肉系统功能提供新的路径。 展开更多
关键词 精确抓握 脑电信号 最大自主收缩力 递归定量分析 神经控制机制
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基于迁移学习和空洞卷积的癫痫状态识别方法 被引量：7
6
作者 沈雷 耿馨佚 王守岩 《中国生物医学工程学报》 CAS CSCD 北大核心 2020年第6期700-710,共11页
癫痫患者脑电信号的自动检测和发作诊断对临床治疗癫痫具有重要意义。针对训练数据有限及训练与测试数据分布不一致的难点,采用领域间联合知识迁移学习方法,实现小训练数据量下的癫痫状态识别。首先对脑电信号进行4层小波包分解,提取小... 癫痫患者脑电信号的自动检测和发作诊断对临床治疗癫痫具有重要意义。针对训练数据有限及训练与测试数据分布不一致的难点,采用领域间联合知识迁移学习方法,实现小训练数据量下的癫痫状态识别。首先对脑电信号进行4层小波包分解,提取小波包分解系数作为特征,通过边缘分布和联合分布迭代调整,完成源域和目标域特征之间的知识迁移,训练空洞卷积神经网络作为分类器,完成目标域癫痫状态识别。分别在波士顿儿童医院CHB-MIT脑电数据集(22例被试,共计790 h)和波恩大学癫痫脑电数据集(5组,每组100个片段,每段23.6s)上进行算法验证,实验结果表明,所提出的方法对复杂癫痫状态的平均识别准确度、敏感性、特异性在CHB-MIT数据集上达到96.8%、96.1%、96.4%;在波恩数据集上,平均识别准确率为96.9%,有效提高了癫痫状态识别综合性能,实现了癫痫发作稳定可靠检测。 展开更多
关键词 脑电信号 小波包变换 迁移学习 空洞卷积 癫痫识别
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踝关节外骨骼人机耦合动力学与助力性能分析 被引量：7
7
作者 高钰清 靳葳 +1 位作者 徐鉴 方虹斌 《力学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2022年第12期3496-3512,共17页
踝关节在人体下肢运动过程中提供了最大的关节力矩,因此在下肢增强型外骨骼的研究中,踝关节外骨骼受到了重点关注.穿戴外骨骼的人体的行走是典型的动力学问题,但目前人机耦合动力学的相关研究还处于早期阶段.本文以绳驱踝关节外骨骼为... 踝关节在人体下肢运动过程中提供了最大的关节力矩,因此在下肢增强型外骨骼的研究中,踝关节外骨骼受到了重点关注.穿戴外骨骼的人体的行走是典型的动力学问题,但目前人机耦合动力学的相关研究还处于早期阶段.本文以绳驱踝关节外骨骼为研究对象,融合机器人正运动学方法和拉格朗日方程建立了考虑足-地交互力、人体关节力矩和外骨骼力矩的人-机耦合动力学模型.模型中,足-地交互力由Kelvin-Voigt模型结合库伦摩擦模型描述,人体关节力矩由基于粒子群优化的PD控制生成,外骨骼期望力矩由上层控制器依据人体步态周期确定.通过基于模型的动力学仿真,本文从人体踝关节角度、踝关节力矩、踝关节功率和踝关节做功多个角度系统分析了踝关节外骨骼对人体行走的助力效果.研究表明,在2.0 km/h到6.5 km/h的人体步行速度下,穿戴外骨骼可以实现至少24.84%的人体踝关节平均力矩下降和至少24.69%的踝关节做功下降.本文也开展了基于SCONE平台的肌肉骨骼建模和预测仿真.仿真结果表明,在3.6 km/h的步行速度下,穿戴外骨骼可以有效降低比目鱼肌的激活度峰值,并使肌电信号的RMS值下降了6.21%,从而从生理学的角度证实了踝关节外骨骼的助力效果.本文的结果进一步完善了人体下肢-外骨骼耦合系统的动力学建模和分析方法,从动力学和生理学角度证实和解释了踝关节外骨骼对行走的助力机制,也为今后下肢外骨骼的实验研究提供了理论支撑. 展开更多
关键词 下肢动力外骨骼 动力学建模 人机动力学 肌肉骨骼模型 肌肉激活度
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