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  • 该实验室的研究活动主要集中在平行机构和关节机器人手的研究，这两个领域在该实验室获得了国际声誉。我们的研究还包括步行机器人、可展开机构、快速原型技术在机器人技术和其他领域的应用。
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  • [VOILES |帆]:飞行的立方机器人

  • [VOILES | SAILS]是一个艺术/科学/技术研发平台，由昆士兰大学设计学院教授、研究员兼创造者Nicolas Reeves发起。它诞生于Reeves教授的意愿，通过当代雕塑唤起建筑摆脱万有引力定律的古老神话。为了实现这一结果，必须解决许多挑战，需要许多技能和专门知识。[VOILES | SAILS]项目位于艺术、建筑和科学的十字路口，旨在汇集艺术和科学领域的研究人员进行合作。

    结构
    考虑到一个立方体的负载包括结构(约2500克)、聚氨酯薄膜(约1500克)、CPU、电机控制器、传感器、无线卡、电池、8到12个电机及其聚碳酸酯导管、一个相机和几十米长的电线和电缆，必须非常仔细地研究每个元素的重量效率比的优化。

    必须考虑以下几个设计限制:
    1. 为了得到一个完美的立方体，有直的边和平坦的面。这与创造完美的几何飞行形状的意图有关，但这也是由于立方体需要在飞行时组装的事实。如果边不是完全直的，或者面是凸的，立方体就不能正确地组装起来。
    2. 自组装属性。当两个立方体相互连接时，它们必须仍然能够使用它们的马达在空间中移动。两个相连的立方体的马达的推力必须加起来才能提供足够的动力来移动它们。因此，我们决定将管道风扇放置在每个边缘的中点，并用薄的聚碳酸酯管引导气流流向立方体的角落。
    3. 传感器的位置。就感官能力而言，立方体绝不是最佳形状，尤其是大立方体(边长160厘米以上)。理想情况下，避障需要24个传感器(每个边缘上的轴各一个)，但由于成本、载荷和能量需求等原因，这很难实现。目前正在根据每个项目的需要不断研究和更新最佳传感器配置。

    经过多次的设计迭代和原型设计，该结构达到了稳定的阶段，最后的航空机器人被命名为t225c(边缘长度为225厘米)，Tryphon。它的exosqueletton是由12个三角形的桁架组成的，这些桁架由碳纤维棒和碳纤维管通过快速成型的接头组装在一起。

    传感器和软件
    帆式机器人采用机电一体化设计，便于适应各种传感器配置。所有组件都连接到一个由中央超轻、基于linux的计算机管理的I2C通信总线。到目前为止，超声传感器、光传感器、指南针、高度计已经被测试并用于性能和演示。在接下来的阶段，车载摄像机和加速度计将被安装。由于快速连接集线器，传感器配置可以快速修改。

    嵌入式控制软件有自主和遥控两种模式。最后一种模式允许用户命令位置(通过USB数字板)，然后控制器试图稳定。自治模式目前是基于反应行为的。最初的两个自动算法是根据与墙或地板的期望距离来稳定自己，并在移动时避开障碍物。他们使用了从12个超声波传感器收集的数据，这些传感器的探测范围为6米。还开发了许多其他特定行为来触发机器人对环境的反应。

    过去的演出和未来的作品
    风帆的原型在几个国家的重要艺术活动中展出:加拿大(魁北克文明博物馆)、比利时(安特卫彭时尚博物馆)、法国(巴黎大皇宫)、俄罗斯(莫斯科温扎沃德中心)和捷克共和国(布拉格工业宫)等。他们还参加了一些教育活动。

    未来的发展包括加强飞行机器人在戏剧表演和公众活动中的坚固性;修改软件，以确保与演员互动期间的最大可靠性，以便计划的互动可以在每次表演中忠实地重复;实现机载摄像头/加速度计为基础的控制，以使航空机器人更好地了解他们的伪绝对位置和麦克风，打开新的人类互动的可能性。

    • ryphon原型来自项目[VOILES |帆]与Jason Lewis的视频投影
    • 关注一个桁架的结构
    • [VOILES | SAILS] Java接口
    • 蒙特利尔科学中心
    • 莫斯科的Winzavod画廊

    • 小型行走机器人:全地形平台(提示)

    • 火星探测将在2020年的黎明向机器人发展，机器人的成本有限，尺寸更小，适应了富含地质信息的粗糙地形的机动性。加拿大在太空机器人领域处于国际领先地位，参与这些任务似乎是其计划的自然演变。为了开发一套行星机器人专用的解决方案，加拿大航天局空间技术部委托我们设计一个小型行走机器人平台的原型。

      我们设计的主要目标是创造一个简单可靠的平台，能够在崎岖不平的地形上移动，同时最小化尺寸、质量、执行器的数量和功耗。该样机是对几个几何模型进行运动学和动力学分析和数值研究的结果。

      只有两个电机驱动它的六条腿，机器人有一个简单的控制，这与项目的空间环境要求的规格相结合。它具有机械反射，使机器人能够以智能和自动的方式适应环境，它的机械效率很少能与步行机器人媲美。

      原型机在加拿大航天局模拟火星地形的地形上进行了测试。在模拟场地进行的实验表明了所选概念的可行性:其可逆性、轻便性和稳定性使其能够以惊人的执行速度穿过岩石的长度和宽度。传动系统的改进、顺应机制的增加和三脚架步态的控制必将使其成为未来机器人行星任务的潜在候选者。
      • 火星的一些地区显示出高度崎岖的地质状况
      • ProEngineer模型
      • 加拿大航天局的实验

      • 动态可重构剧场舞台

      • 该项目包括一个移动剧场舞台，是在机器人实验室和Lantiss(图像新技术实验室，du Son和de la Scène，即图像、声音和舞台新技术实验室)的联合下构思的。这里描述的项目是Lantiss第一个主要项目的一部分，包括一个电子小城堡(微型剧院)的设计。这个微型剧场是一个模型，只有剧场空间的十分之一大小，它配备了几个技术表演元素，包括:机动照明、图像投影、增强现实和可变形的舞台。这种技术模式最重要的特点是将各种媒体统一在同一个工具中。

        电子微型剧场有两种不同的使用方式。微型剧场可以作为一种创作工具，类似于标准模型。设计师可以构想出他们的戏剧作品，而不需要使用真正的剧院大厅和所有的设备。这样，他们不仅可以调整布景和演员的动作，还可以调整灯光、声音等技术参数。微型剧场也可以用作舞台，在上面为观众上演作品。因此，微型戏剧作品可以用木偶来呈现。这些作品可以在一小群观众面前进行，也可以拍摄下来，然后在一个大的大厅里放映。

        从机械上讲，舞台的机动性是由许多小块产生的。这些块被组合成9个一组，形成模块。通过将几个模块组合在一起，一个挨着一个，就可以形成一个舞台。更具体地说，一个模块的九个块由一个由杆和转动关节组成的并联机构连接在一起。整个系统由四个马达驱动。

        小木屋的阶段由12个模块组成，其中每个模块9块(前面描述的模块)和13个模块，机械上更简单，只有一个模块。在全球范围内建造了25个模块，可以覆盖的最大表面是一平方米。

        在更一般的意义上，该项目开发的可变形表面也可用于工业部门的应用，如成型．其他可能的应用包括光学领域(可变形镜)、机器人技术(复杂操作)和模拟领域，例如地形模拟。

        该项目的科学合作伙伴包括机器人实验室、计算机视觉和系统实验室(CVSL)和光学与激光中心(COPL)，它们都是拉瓦尔大学科学与工程学院的一部分。艺术合作者包括机械姬(Ex Machina)公司、艺术中心阿凡达(Avatar)、Méduse工会成员、拉瓦尔大学(Laval University)戏剧研究工作室。
        • 动态可重构剧场舞台
        • 描述
        • 高科技木偶戏使用微型舞台

        • 有关节面的多面体

        • 考虑一个多面体作为一个框架，其中面的约束保持平面。由此产生的结构在这里被称为铰接面多面体(PAF)。在某些情况下，聚四氟乙烯是刚性结构，而在其他情况下，它们是铰接机构，具有有趣的运动学特性。

          机械地在一个框架中实现平面度约束是困难的。相反，这里建议从一开始就采用一种新的机械结构，该结构由美国专利(No. 7,118,442)覆盖。首先，利用构成多边形侧面的一组连杆建立面作为闭环平面连杆。这些连杆由转角的转动关节连接，关节的轴垂直于由面形成的平面。这确保了任何配置的面都是平面的。然后，这些面的两侧通过位于多面体边缘的转动关节连接起来，并在这些面的角落相交于这些面的关节。因此，与多面体的一个给定顶点相关的所有关节在任何构型的顶点相交。指出聚四氟乙烯的制造只需要一种零件。此外，对于边缘长度相同的paf，所有的部分都是相同的。

          流动性
          巴基斯坦空军的主要兴趣在于他们的机动性。它们中的一些是刚性结构，而另一些是铰接机构，它们的变形具有良好的运动学特性。此外，其中一些是本地移动的，但在全球范围内是固定的。换句话说，它们只能在初始构型中移动。具有这种性质的运动链相对少见，通常被称为不稳定的。为了确定它们的流动性，即它们有多少自由度，提出了一种涉及约束方程的一阶导数的通用方法。此外，还进行了数值模拟，以观察弯曲构型或找出哪些是不稳定的paf。最后，建立塑料模型。由于塑料的柔性和关节的间隙，塑料模型比理论上应该的更灵活。因此，这允许观察不稳定的paf的弯曲，在模拟中没有明显的移动。 It is noted that the range of motion of the plastic models is limited by mechanical interference between adjacent parts.

          • 构建一个立方体的PAF:部分，多边形和两个构型的多面体
          • 大菱形立方体(26个面，72条边，48个顶点):可移动(5 dfs)
          • 大菱形立方体(26个面，72条边，48个顶点):可移动(5 dfs)

          • 加速度计阵列

          • 加速度计阵列是一种惯性测量单元，它允许估计一个物体的加速度场，即它的一些或所有点的加速度。由此可以推断出物体的轨迹。由于其卓越的精度，绝大多数惯性测量单位依靠机械陀螺仪而不是加速度计来测量物体的角速度(角速度)。然而，由于其鲁棒性、低成本和小能耗，加速度计阵列在某些特定的应用领域，如耐撞性、弹丸制导和奔跑机器人中，一直优先于基于陀螺仪的惯性测量单元。

            在拉瓦尔大学机器人实验室，研究集中在加速度计阵列的两个方面:加速度计阵列背后的理论及其在人机交互中的应用。

            加速度计阵列背后的理论
            简而言之，拉瓦尔大学机器人实验室正在进行的工作可以通过其旨在回答的问题进行最好的总结:

            • 什么加速度计阵列允许估计在空间中运动的刚体的什么分量?
            • 估计一个物体在空间中的轨迹，最少需要多少个加速度计?
            • 加速度计应该如何定位和定位，以提供最好的可能的精度?
            • 我们应该如何结合加速度计的估计来获得通常的运动学参数的稳健估计(例如:参考点的加速度、角加速度和角速度)?

            为了回答最后一个问题，拉瓦尔大学机械工程系的两名学生Guillaume Fournier和Philippe Gagnon建造了一个加速度计阵列。因为它的八面体几何结构(八面体是有八个面的多面体，就像棋盘游戏中使用的某些骰子)，这个加速度计阵列被命名为八面体十二加速度计星座(OCTA)。一对正交加速度计(照片上的小黑盒子)位于正八面体的每个顶点上。纪尧姆和菲利普一边摇晃着这个加速度计阵列，一边记录它的测量结果，以及连接在它上面的一个参考磁传感器(图片上的小灰色盒子)的测量结果。该传感器为OCTA的六自由度位移测量提供了参考。Guillaume和Philippe应用了拉瓦尔大学机器人实验室开发的一种算法，从加速度计测量中提取OCTA的角速度。然后，他们将这些估算值与通过磁位移传感器估算值的时间微分得到的结果进行比较。得到的结果的一个样本出现在下面的图表中，其中可以看到从加速度计测量计算出的估计接近于从磁位移传感器(FOB)得到的估计。

            事实上，据我们所知，这是迄今为止从加速度计得到的最精确的角速度估计。这些结果是有希望的，因为加速度计比其他用于测量角速度的传感器更便宜。干得好，纪尧姆和菲利普!

            • 刚体加速度场的表示
            • 加速度计阵列
            • 由加速度计阵列OCTA和工业位移传感器(FOB)估计角速度

            • 机械手:坚固的欠驱动机械手(MARS)

            • 实验室开发的第一批机械手之一是MARS手(主要Articulé Robuste Sous-actionnée，即健壮的欠驱动机械手)。它建于1996年，是与卫生和安全工作环境研究所(IRSST)合作的结果。我们的目标是设计一种既坚固又灵巧的手，这样它就可以执行各种各样的任务，包括在恶劣环境下的任务(包括放射性、极端温度、污染空气等)。

              1996年，一种带有6个驱动器的欠驱动12自由度机械手原型被制造出来。设计过程涉及到使用CAD软件，各种模拟程序，以及纸板模型的构建。这只手几乎是人类手的两倍大，重9公斤(20磅)，然而，它的最大载荷是70公斤(155磅)。手由三个无刷直流电机驱动，用于手指的闭合/打开，以及三个直流电机驱动手指的方向。这只手可以用动力握把和精密握把进行圆柱形、球形和平面握把。该原型机能够以足够大的力量执行常见的工业任务。它还配备了触觉传感器。

              机械手的设计受到美国专利(US 5,762,390)和加拿大专利(CA 2 209 863 AA)的保护。

              • 机械手:加拿大机械臂的欠驱动机械手(SARAH)

              • 高度欠驱动10自由度机械手(用于Canadarm)

                到目前为止，在实验室开发的机械手，只有手指的驱动不足。因此，每个手指都由自己的马达驱动。1998年，MDA空间任务公司(前身为SPAR航空航天公司)联系了该实验室，要求为著名的加拿大臂开发一只手。这只新手的规格要求之一是它应该由两个马达驱动。

                这就产生了手的原理，它的特征是手指受到驱动;手指的打开和关闭仅由一个电机控制。事实上，一个马达就足够了，因为不需要三个手指都独立地合上，因为所有的手指都会合上以尽可能地抓住一个物体。如果一个手指紧紧地缠绕在一个物体上，其他手指将继续合上，直到所有的手指都紧紧地合上。手指之间的欠驱动是通过一个创新的齿轮差动机构实现的。第二电机可以改变手指的方向，实现圆柱形、球形和平面抓握。

                1999年，一个高度欠驱动自适应10-DOF机器人手的2个驱动器的原型被建立。这款名为SARAH(自适应机器人辅助手)的新机器人比之前的火星手(MARS手)略小，重量只有前者的一半。它具有相同的机动性，但仅由两个马达驱动。

                SARAH手是与加拿大航天局合作制造的。其外观设计受美国专利(No. 6505,870)以及WIPO未决专利的保护。目前的版本被改编为国际空间站加拿大空间部门SPDM的末端执行器。

                • 机械手:用于清理核设施的机械手

                • 在2005-2006年，机器人实验室一直致力于为英国原子能机构(UKAEA)开发机械手。英国原子能管理局的主要业务是清理核设施。他们的任务之一是从旧储存地点回收放射性废物，以便在更安全的条件下进行包装和储存。废弃物的回收是一项及时而复杂的任务。垃圾由易拉罐和各种碎片组成。目前，有几种手爪被使用，每一种都适应于特定类型的物体。不幸的是，更换抓手很费时间。使用一个更灵活的夹具来取代几个专门的夹具，将促进和加快检索过程。

                  这种灵活的抓手是由机器人实验室开发的SARAH手改编而成，最初设计用于太空。SARAH手包括三个欠驱动和可定向的手指，由两个电机驱动。为了满足废弃回收任务的需要，对多个部件进行了重新设计。其中，新的抓手有一个更大的有效载荷，并适应核环境。此外，指尖的设计是为了抓住位于有限空间的罐头，但仍然能够处理各种各样的物体。一个塑料原型的新夹具(如上所示)建立和测试成功。

                  • 并行机制:敏捷之眼

                  • 敏捷眼是一种3-DOF 3-RRR球面并联机械手，用于相机的快速定位。它的机械结构导致了高速和加速度。首先，建立了该机械手的运动学模型。然后，对机构进行几何优化，以确定能产生最佳精度的尺寸参数。建立了完整的动态模型。最后，设计并制作了样机，开发了基于DSP的高性能控制器。原型机于1993年制造，从那时起就越来越受欢迎。

                    敏捷眼的工作空间优于人眼。附加在末端执行器上的微型摄像机可以指向140°的视锥，扭转角度为±30°。此外，由于其低惯性和固有刚度，该机构可以实现超过1000°/秒的角速度和超过20000°/秒的角加速度，这超出了人眼的能力。

                    与敏捷眼相关的最有趣的研究主题之一是分析它的奇点。令人惊讶的是，敏捷眼的奇点轨迹独立于所选的分支(总共有8个分支)。注意，对于一般的3-RRR球面并联机器人，奇异点轨迹严格依赖于所选择的分支。此外，在Agile Eye中，移动平台存在四种位姿，其中驱动器的任意有限运动在移动平台上不产生任何输出。最后，敏捷眼的直接运动学问题允许8种装配模式。

                    • 平行机构:飞行模拟器

                    • 运动仿真领域，尤其是飞行模拟器领域(图1)，是目前并联机构的主要商业应用领域。尽管这些模拟器非常受欢迎，并且能够提供非常逼真的线索，但是它们也存在一些明显的缺点，包括有限的工作空间(主要是关于旋转)，昂贵的成本，有限的操作以及较高的维护要求。此外，执行器中所含的油对一些人来说可能是一个环境问题。

                      为了消除这些缺点，实验室设计了一款自由度有限、结构简单的低成本飞行模拟器，能够创造出足够逼真的动作线索，用于飞行员的训练(在训练的第一阶段)。

                      在这个项目中进行了一些研究，包括比较各种3-DOF架构可以产生的线索，从而选择最适合的架构。在此基础上，结合静态平衡和使用旋转机器人电动执行器等创新思想，实现了机构的设计。

                      该型号有2条腿，型号为RRU和RUS，以及一个被动虎克关节，在其上安装座位、控制装置和屏幕。支架可以绕着圆锥体旋转，而安装在平台上的马达可以让平台在与它垂直的平面上旋转。因此，±60度的运动范围是可能的。

                      • 平行机构:SHaDe(球形三自由度触觉装置)

                      • 我们实验室开发了一种三自由度的触觉装置，叫做SHaDe，是球形触觉装置的首字母缩写，它可以让操作者在受到力反馈的情况下控制动作。该机构呈现出只有三个自由度的特殊性，使设计更简单，更符合人体工程学的利用。此外，在这种触觉设备中使用球面几何提供了几个优势，即，完全围绕位于用户手中的一个点旋转(在这一点上没有平移)，一个大的工作空间，舒适的使用，以及在手臂休息时的精确操作。

                        该原型利用了一种特殊的设计，其中只使用转动关节，基于球面几何。实际上，它是一个由两条RRR型球面连杆和一条RRRR型球面连杆组成的球形并联机构。然而，在运动学上，该并联机构相当于一个球形3-RRR机构。采用RRR(RR)链来减少链间的干扰。在SHaDe中，所有的关节轴，被动和主动，相交在一个共同的点，这是末端执行器的旋转中心。这种球形几何结构也被用于高性能相机定向装置的设计，称为敏捷之眼。

                        针对给定的性能指标，采用数值分析方法对样机的特性进行优化。为此，采用了加权组合指标，包括工作空间的大小、最小灵巧度、平均灵巧度等。该原型是使用熔融沉积建模(FDM)快速原型机使用商业可用的CAD包建立的。

                        力控制包括通过串行链路与传感器控制子程序进行高速通信的智能多轴力传感器。该子程序与电机转矩控制通信，运行在实时微内核操作系统QNX下。设计了不同的控制律来模拟机械臂的行为或远处的危险环境。力控制本身是基于经典的PID控制方案，增加了静态补偿和前馈项，以提高性能。

                        • triteron和Quadrupteron机器人

                        • Tripteron
                          理论研究往往会带来令人着迷的发现:在这种情况下，雷公藤，一种三自由度平动平行机构。该原型最初是在螺旋理论的基础上通过数学推导(系统型综合)发展起来的。这种独特的专利机器人可以实现所有方向的线性位移。事实上，它相当于连续笛卡尔机器人。但由于它是一个并联机器人，它有许多其他的优点，包括它的驱动器定位在基座上，这减少了移动惯性，从而允许快速移动。

                          而且，雷公藤的运动学非常简单，实际上和串行笛卡尔机器人是一样的。此外，该机器人是各向同性的，完全解耦的，即每个驱动器控制一个笛卡尔自由度，独立于其他自由度。因此，这个机器人在其工作空间内没有奇点，它的灵巧度总是最佳的。

                          下面的图还表明，可以在不同的方向上定位线性驱动器，例如以平行或共面的方式，而不是正交。本实验室研制的样机为3-PRRR型。

                          Quadrupteron
                          与雷公藤类似，四腹藤也是通过系统的类型合成而发展起来的。四足兽在很多方面与雷公藤相似，它的独特之处在于它有4个dof。除了三种平移之外，沿垂直轴的一次旋转也是可能的。因此原型有PRRU型的三条腿和PRRR型的一条腿。

                          四翼龙复制相同的运动，尽管增加了灵活性，如众所周知的SCARA机器人(选择性顺应装配机器人手臂)，即Schönflies运动。四翼龙在平移过程中是各向同性的。奇点只存在于两个方向，±90度，这是无法达到的，因为工作空间是±60度(这已经很吸引人了)。

                          原型的设计是通过各种研究来实现的，以减少奇点的存在和大小，并优化确定性和工作空间。