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  • 实验室的研究活动主要集中在并联机构和关节机器人手的研究,这两个领域的实验室获得了国际声誉。我们的研究还包括行走机器人、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等项目。
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  • [VOILES | sailing]:飞行的立方体机器人

  • [VOILES | sail]是一个艺术/科学/技术研究-创作平台,由UQAM设计学院教授兼研究-创作者Nicolas Reeves发起。它诞生于里夫斯教授的意愿,以当代雕塑的方式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。站在艺术、建筑和科学的十字路口,[VOILES | sailing]项目旨在将来自艺术和科学领域的研究人员聚集在一起进行合作。

    结构
    考虑到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个电机和它们的聚碳酸酯导管,一个相机和几十米的电线和电缆,每个元素的重量效率比的优化必须非常仔细地研究。

    必须考虑以下几个设计约束条件:
    1. 必须获得一个完美的立方体,有直的边和平的面。它与创造完美的几何飞行形状的意图有关,但它也是由立方体需要在飞行时组装的事实引起的。如果边缘不是完全直的,或者如果面变得凸,立方体就不能正确地组装。
    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相加才能提供足够的动力来移动它们。这导致了将管道风扇放置在每个边缘的中点的决定,并引导气流流向立方体的角落与薄聚碳酸酯管。
    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厘米或以上)。理想情况下,避障需要24个传感器(每条边的每条轴上各有一个),但由于成本、有效载荷和能量需求的原因,这很难实现。针对每个项目的需求,不断研究和更新最优传感器配置。

    经过多次设计迭代和原型,该结构达到了一个稳定的阶段,最后一个飞行器命名为t25c(边长225厘米),Tryphon。它的外骨架由十二个三角形的碳纤维杆和钢管组成,通过快速成型接头组装在一起。

    传感器和软件
    为了方便地接受各种传感器配置,对帆式机器人进行了机电一体化设计。所有组件都连接到一个I2C通信总线,由中央超轻型、基于linux的计算机管理。到目前为止,超声波传感器,光传感器,指南针,高度计已经被测试并用于表演和演示。下一阶段将在飞船上安装摄像机和加速计。得益于快速连接集线器,传感器配置可以快速修改。

    嵌入式控制软件有自主控制和远程操作两种模式。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。自主模式目前是基于反应性行为。最初的两个自动算法是根据与墙壁或地板的期望距离来稳定自身,并在移动时避开障碍物。他们使用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。许多其他的特定行为被开发出来,以触发机器人对环境的反应。

    过去的演出和未来的作品
    这些帆的原型已经在几个国家的主要艺术活动中展出过:加拿大(魁北克文明博物馆)、比利时(安特卫本时尚博物馆)、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)等等。他们还参加了一些教育活动。

    未来的发展包括增强用于戏剧表演和公共活动的空中机器人的健壮性;修改软件,确保与演员交互时的最大可靠性,使计划好的交互在每次表演中都能忠实地重复;实现基于机载摄像机/加速度计的控制,以使航空机器人更好地了解它们的伪绝对位置和麦克风,以打开新的人机交互可能性。

    • 项目[VOILES | sail]的ryphon原型与Jason Lewis的视频投影
    • 关注一个桁架的结构
    • [VOILES | sailing] Java接口
    • 机械folies -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,在有限的成本、更小的尺寸和适应地质信息丰富的粗糙地形的机动性方面。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项目的自然发展。为了开发一组专门用于行星机器人的解决方案,加拿大航天局的空间技术部委托我们设计并制作小型行走机器人平台的原型。

      我们的主要设计目标是创造一个简单而可靠的平台,能够在崎岖的地形上移动,而不会发现自己的位置会使其无法使用,同时最小化尺寸、质量、执行器的数量和功耗。该原型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6条腿,机器人有一个简单的控制,与项目的空间环境要求的规格手拉手。它具有机械反射能力,使它能够以智能和自动的方式适应环境,并具有行走机器人很少能达到的机械效率。

      原型机在加拿大航天局模拟火星地形上进行了测试。在模拟现场进行的实验表明了所选概念的可行性:它的可逆性、方便性和稳定性使其能够以惊人的执行速度跨越岩石长度的区域。传动系统的改进、顺应机构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对象。
      • 火星上有些地区的地质非常崎岖
      • ProEngineer模型
      • 在加拿大航天局做实验
      • 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兰提斯实验室(图像新技术实验室Scène,即图像、声音和舞台新技术实验室)的联合下构思的。这里所描述的项目是兰提斯的第一个主要项目的一部分,涉及电子castelet(微型剧场)的设计。这个微型剧场是剧场空间的十分之一大小的模型,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多种媒介统一在同一工具中。

        电子微型剧场有两种不同的用途。微型剧场可以作为一个创作工具,类似于一个标准模型。设计师们可以构思他们的戏剧作品,而不必使用真正的剧院大厅和真正的剧院里的所有设备。这样一来,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,为观众演出演出。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演出,也可以拍摄下来,然后在一个大的大厅里放映。

        在机械上,舞台的机动性是由大量的小块产生的。这些块被组合成9组组成模块。通过将几个模块组合在一起,一个接一个,就可以形成一个舞台。更具体地说,模块的九个块是由一个由杆和转动关节组成的并联机构连接在一起的。整个系统由四台电机驱动。

        castelet的阶段由12个模块组成,包括每个模块9个块(前面描述的模块)和13个模块,机械上更简单,只有一个块。在全球范围内,建造了25个模块,可以覆盖的最大表面是1平方米。

        从更广泛的意义上讲,在这个项目中开发的可变形表面也可以在工业部门的应用中受益,如成型.其他可能的应用包括光学领域(可变形镜)、机器人(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)和光学光子和激光中心(COPL),它们都是拉瓦尔大学科学和工程学院的一部分。艺术合作者包括机械机械公司,艺术中心阿凡达,Méduse联盟成员,拉瓦尔大学戏剧研究工作室。
        • 动态可重构的剧院舞台
        • 描述
        • 使用微型舞台的高科技木偶戏
        • 具有铰接面的多面体

        • 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称为具有铰接面的多面体(PAF)。在某些情况下,paf是刚性结构,而在另一些情况下,它们是铰接机构,具有有趣的运动学特性。

          在一个框架中机械地实现平面性约束是很困难的。相反,这里建议从一开始就进行一种新的机械结构,这是美国专利(编号7118442)所涵盖的。首先,使用一组形成多边形边的连杆将面构建为闭环平面连杆。这些连杆由转角的转动接头连接,接头的轴线垂直于由端面构成的平面。这确保了任何配置的面的平面性。然后,这些面的边由位于多面体边缘上的转动关节连接,并在多面体的角处与这些面的关节相交。因此,所有与多面体的一个给定顶点相关的关节在任何构型的顶点处相交。指出paf结构只需要一种零件。此外,对于边缘长度相同的paf,其所有部分都是相同的。

          流动性
          巴基斯坦空军部队的主要兴趣是他们的机动性。其中一些是刚性结构,而另一些是铰接机构,变形具有良好的运动学特性。此外,他们中的一些人在当地是流动的,但在全球范围内是僵化的。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是比较罕见的,通常被称为不稳定的。为了确定它们的流动性,即它们有多少个自由度,开发了一种涉及约束方程的一阶导数的一般方法。此外,为了观察弯曲构型或找出哪些是抖动的paf,还进行了数值模拟。最后,建立塑料模型。由于塑料的灵活性和接缝的间隙,塑料模型比理论上应该的更灵活。因此,这允许观察到抖动的paf的弯曲,在模拟中没有显著的移动。 It is noted that the range of motion of the plastic models is limited by mechanical interference between adjacent parts.

          • 立方PAF的构造:部分、多边形和多面体的两种构型
          • 大菱形面体(26面,72边,48顶点):可移动(5自由度)
          • 大菱形面体(26面,72边,48顶点):可移动(5自由度)
          • 加速度计阵列

          • 加速度计阵列是一种惯性测量单元,可以估计物体的加速度场,也就是说,它的一些或所有点的加速度。由此可以推断出物体的运动轨迹。由于其优越的精度,绝大多数惯性测量装置求助于机械陀螺仪而不是加速度计来测量物体的角速度(角速度)。尽管如此,由于加速度计阵列的坚固性、低成本和小能耗,在某些特定的应用领域,如耐撞性、弹丸制导和驰骋机器人,加速度计阵列一直优于陀螺仪惯性测量单元。

            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和它们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来最好地总结:

            • 什么样的加速度计阵列可以估计在空间中运动的刚体的哪些组成部分?
            • 估计空间中物体轨迹所需的加速度计的最小数量是多少?
            • 加速度计应该如何定位和方向,以提供最佳的精度?
            • 我们应该如何结合加速度计的估计,以获得通常的运动学参数(例如:参考点的加速度,角加速度和角速度)的可靠估计?

            为了回答最后一个问题,来自拉瓦尔大学机械工程系的两名学生Guillaume Fournier和Philippe Gagnon制作了一个加速度计阵列。因为它的八面体几何(八面体是一个有八个面的多面体,就像在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)位于规则八面体的每个顶点。纪尧姆和菲利普一边摇晃这个加速度计阵列,一边记录它的测量值和附加在它上面的参考磁传感器的测量值(图片上的小灰色盒子)。后者为OCTA的六自由度位移提供了参考。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OCTA的加速度计测量数据中提取出角速度。然后,他们将这些估计与通过磁位移传感器估计的时间区分得到的估计进行比较。得到的结果的样本如下图所示,从中可以看到,从加速度计测量得到的估计值接近于从磁位移传感器(FOB)得到的估计值。

            事实上,据我们所知,这是迄今为止从加速度计中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
            • 由加速计阵列OCTA和工业位移传感器(FOB)估计的角速度
            • 机器人手:健壮欠驱动机器人手(MARS)

            • 在实验室中开发的第一批机器人手之一是MARS手(Main Articulé Robuste Sous-actionnée,即健壮欠驱动机器人手)。它建于1996年,是与健康和安全工作环境研究所(l'Institut de Recherche en Santé et en Sécurité du Travail)合作的结果。设计的目标是设计一只既健壮又灵活的手,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(涉及放射性、极端温度、污染空气等)。

              1996年,一个具有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CAD软件的使用,各种仿真程序,并构建一个纸板模型。它的手几乎是人类手的两倍大,重9公斤(20磅),但它的最大载荷是70公斤(155磅)。该手由三个无刷直流电机驱动,用于手指的关闭/打开和三个直流电机用于手指的定位。手能够执行圆柱形,球形和平面的掌握与权力和精确的掌握。原型机有足够大的力量来执行常见的工业任务。它还配备了触觉传感器。

              该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:用于加拿大手臂的欠驱动机械手(SARAH)

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

                到目前为止,在实验室中开发的机械手,只有手指有欠驱动。每根手指都由自己的马达驱动。1998年,MDA空间任务公司(之前的SPAR航空航天公司)联系实验室,要求为著名的Canadarm开发一种手。这只新手的规格要求之一是它只能由两个马达驱动。

                这就产生了手指之间受驱动的手的原理;手指的开合只由一个马达控制。事实上,一个马达就足够了,因为不需要三个手指都独立合上,因为所有的手指都会合上以尽可能牢固地抓住一个物体。如果一个手指紧紧地缠绕在一个物体上,其他手指将继续合拢,直到所有手指都紧紧地合拢。手指之间的欠驱动是通过创新的齿轮差速器机构实现的。第二个电机允许改变手指的方向,以实现圆柱形、球形和平面抓握。

                1999年,一个具有两个执行器的高度欠驱动自适应10自由度机械手的原型被制造出来。新的手,SARAH(自适应机器人辅助手),略小,重量只有其12自由度的前身(MARS手)的一半。它具有相同的机动性,但只由两个马达驱动。

                SARAH手是与加拿大航天局合作制造的。它的设计已经获得了美国专利(编号为6,505,870),以及正在申请的世界知识产权组织专利。目前的版本被改编为加拿大空间部队用于国际空间站的SPDM的末端执行器。

                • 机械手:用于清洁核设施的机械手

                • 在2005-2006年,机器人实验室一直致力于为英国原子能管理局(UKAEA)开发机器人手。UKAEA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,以便将其包装和储存在更安全的条件下。废物的回收是一项及时而复杂的任务。垃圾由罐头和各种碎片组成。目前,人们使用几种夹持器,每一种夹持器都适用于特定类型的物体。不幸的是,更换夹持器是耗时的。使用一种更灵活的夹持器将取代几个专门的夹持器,将促进和加速检索过程。

                  这种灵活的夹持器改编自SARAH手,SARAH手是由机器人实验室开发的,最初设计用于太空。SARAH手包括三个欠驱动和定向手指,仅由两个马达驱动。为了满足废物回收任务的要求,对几个组件进行了重新设计。此外,新的夹持器具有显著更大的有效载荷,并适应于核环境。此外,指尖的设计是为了抓住位于有限空间的罐子,但仍然能够处理各种各样的物体。新夹持器的塑料原型(如上所示)被制造并测试成功。

                  • 平行机制: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度和加速度。首先,建立了该机械手的运动学模型。然后,进行几何优化,以确定能产生最佳精度的机构尺寸参数。建立了完整的动力学模型。最后,设计并制作了样机,研制了基于DSP的高性能控制器。原型车建于1993年,从那时起就越来越受欢迎。

                    敏捷眼的工作空间优于人眼。附着在末端执行器上的微型摄像机可以在140°的锥面内指向,扭转角为±30°。此外,由于其低惯性和固有刚度,该机构可以实现超过1000°/秒的角速度和大于20000°/秒2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对其奇点的分析。令人惊讶的是,敏捷眼的奇点位点独立于所选的分支(总共有8个分支)。注意,对于一般的3-RRR球面并联机器人,奇异轨迹严格依赖于所选分支。此外,在敏捷眼中,移动平台存在四种姿态,其中执行器的任意有限运动不会在移动平台上产生任何输出。最后,Agile Eye的直接运动学问题允许8种装配模式。
                    • 平行机制:飞行模拟器

                    • 运动仿真领域,特别是飞行模拟器(图1),是目前并联机构的主要商业应用。这些模拟器,虽然非常流行,提供非常真实的线索,但有几个明显的缺点,包括有限的工作空间(主要是关于旋转),令人难以接受的成本,有限的操作和它们需要高维护。此外,驱动器中所含的油对某些人来说可能是一个环境问题。

                      为了消除这些缺点,该实验室设计了一个低成本的飞行模拟器,其自由度有限,架构简单,能够创建足够逼真的运动线索,以便用于飞行员的培训(在他们的培训的第一阶段)。

                      在这个项目中进行了几项研究,包括比较各种3-DOF架构可以创建的线索,以选择最合适的架构。然后,一个机构的设计实现了一些创新的想法,如静态平衡和使用旋转电动执行器。

                      该模型有2个腿,类型RRU和RUS,和一个被动胡克接头上的座位,控制和屏幕安装。腿允许围绕一个圆锥体进行旋转,而添加到平台上的电机允许平台在与它正常的平面上旋转。因此,±60度的运动范围是可能的。

                      • 平行机构:SHaDe(一种球形三自由度触觉装置)

                      • 我们的实验室开发了一种名为SHaDe的三自由度触觉装置,它是球形触觉装置的缩写,可以让操作员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,使得设计更简单,更符合人体工程学的利用。此外,在这种触觉设备中使用球形几何提供了几个优点,即,围绕位于用户手内部的点的纯旋转(在这一点上没有平移),一个大的工作空间,舒适的使用,和在手臂休息时的精确操作。

                        原型利用了一种特殊的设计,其中只使用了旋转关节,基于球形几何。实际上,它是一个具有两个RRR型球面连杆链和一个RRRR型球面连杆链的球面并联机构。然而,在运动学上,并联机构等价于球形3-RRR机构。采用RRR(RRR)链是为了减少链路干扰。在SHaDe中,所有的关节轴,被动和主动,相交于一个公共点,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,称为敏捷眼。

                        根据给定的性能标准,利用数值分析优化了原型的特性。为此,采用加权组合的指标,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)快速样机,使用一个商用的CAD包。

                        力控制涉及智能多轴力传感器,通过串行链路与传感器控制子程序进行高速通信。该子程序依次与电机转矩控制通信,并在实时微内核操作系统QNX下运行。不同的控制律被创建来模拟机器人手臂的行为或遥远的危险环境。力控制本身是基于一个经典的PID方案增强了静态补偿加上前馈项,以提高性能。
                        • Tripteron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,雷公子是一个三自由度平动并联机构。该原型最初是通过基于螺旋理论的数学推导(系统型综合)开发的。这种独特的专利机器人可以实现所有方向的线性位移。它实际上相当于串行笛卡尔机器人。但由于它是一个并联机器人,它提供了许多其他的优势,包括其执行机构的定位在基础上,这减少了移动惯性,从而允许快速运动。

                          此外,雷普子的运动学非常简单,实际上与串联笛卡尔机器人的运动学是一样的。此外,该机器人是各向同性和完全解耦的,即每个执行器控制一个笛卡尔自由度,独立于其他的。因此,该机器人在其工作空间内没有奇点,其灵活性总是最佳的。

                          下面的图还表明,可以将线性执行器定向在不同的方向上,例如平行或共面方式,而不是正交。我们实验室研制的原型是3-PRRR型。

                          Quadrupteron
                          类似于雷公子,四公子也是通过系统型合成发展起来的。四鳍龙在许多方面与雷公龙相似,其独特的特征主要是它的4个自由度。除了三个平移外,还可以沿垂直轴进行一次旋转。因此,原型机有三个腿的PRRU型和一个腿的PRRR型。

                          四足动物复制相同的动作,尽管增加了灵活性,正如众所周知的SCARA机器人(选择性顺应装配机器人臂),即Schönflies运动。四足动物的平移是各向同性的。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(这已经非常吸引人了)。

                          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。