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  • 机电一体化，机器人与控制实验室

    机电一体化、机器人与控制实验室开发了一些世界上最独特的机电一体化和机器人系统，包括各种移动机器人、先进的传感器和执行器、最先进的控制原型系统，包括dSpace、MatLab和LabView。

产品组合

  • 移动和仿生机器人

    • 环境监测与管理低成本无人机系统的发展

    • 与新西兰地理空间研究中心有限公司合作。

      项目目标
      •开发一个即插即用的位置和方向解决方案，可能包括GPS, INS和实时地理参考图像，一套环境监测传感器，并能够生成3D特征/正射影像/地形模型等。除了传感器集成和数据分析任务外，目前在技术(例如，图像能否用于补偿(取代?)惯性技术?)和应用(例如，与现有的载人系统相比，轻型、低成本模型飞机作为环境调查/监测工具的性能如何?)方面，许多关键问题尚未得到解答。
      •低成本无人机自动驾驶仪本身无法提供“现实世界”安全操作所需的完整性;一个人必须总是“在循环中”。向飞行员提供飞行信息的最佳方式是什么?(抬头显示、声音等);这样的系统可以用来帮助训练程度较低的飞行员驾驶无人机吗?不同的信息呈现方法是否会产生不同的结果/改变工作量?对特定环境(如森林、农田、近海、火山等)进行有效监测/建模的最佳解决方案是什么?
      •开发、测试和分析成像/扫描传感器的组合，以获得关于实时飞行环境和条件的更准确和及时的数据。探索与智能和自适应飞行控制相关的问题，使无人机能够做出控制决策，实时响应操作条件的变化(例如强风，风暴等)和它在任何时候都需要承担的任务。

    • 无人潜航器驱动、导航与传感器网络

    • uuv在海洋勘探、环境监测、测量、海底作业和军事任务中有着广泛的应用。该项目的主要重点是水下机器人和浮力控制、推进和导航的设计和建造。项目目标为:
      • 防水机械/材料设计，包括连杆和密封剂
      • 驱动技术控制机器人的上升、下降
      • 传感器包括声纳和视觉，自主导航
      • 故障安全装置，在检测到任何故障时将机器人提升到地面
      • 传感器网络与通信

    • 户外应用的gps引导轮式机器人系统

    • 移动机器人是目前大量研究的焦点，几乎每一所主要大学都有一个或多个专注于移动机器人研究的实验室。一般来说，移动机器人可以分为四类，即轮式机器人;类似人类、动物和昆虫的腿部机器人;无人驾驶飞行器;自动水下航行器(AUV)。该项目的重点是开发轮式机器人系统，该系统能够在室外环境中自主导航。项目目标为:
      • 基于GPS的自主导航
      • 改进的陀螺仪路径规划
      • 通过额外的传感器，如超声波，避开障碍物
      • 安全机制与接近和冲击传感器
      • 通过车载视觉实现人在回路控制

    • 攀爬机器人

    • 对于自主移动机器人来说，攀爬垂直墙体是一个挑战，主要是要求其运动灵活，具有较高的机动性，以及稳健高效的附着和脱离。这种机器人具有巨大的潜力，可以将目前由人工完成的任务自动化，通常以更具成本效益的方式提供额外的人类安全措施。该项目侧重于运动和附着机构。以下是研究和发展的重点领域:
      • 附着机制及控制
      • 运动和驱动设计
      • 附着力和机动性
      • 机器人轨迹控制避开障碍物

    • 走路机器

    • 本论文的目的是研究基于适应生物学原理的六足机器人所能达到的移动水平。该系统的重点将是实现高水平机动性所需的嵌入式电气系统和控制过程。研究课题包括:
      • 蟑螂机器人的模块化设计
      • 新颖的机构，流畅的运动和跳跃
      • 并联机构的运动学与动力学
      • 接触传感与信息处理
      • 复杂协调运动控制

    • 像跳蚤一样的跳跃机器人

    • 仿生机器人最近受到越来越多的关注，因为人们试图从自然界中学习，因为每个物种都表现出惊人的和独特的进化机制。例如，考虑到它们的体型，跳蚤是世界上所有已知动物中跳得最好的。它能跳大约是自己体长150到200倍的距离。在这个项目中，我们的目标是建立一个像跳蚤一样的跳跃机器人的模型、模拟和原型。项目包括:
      • 蟑螂体(腿)结构的SEM/TEM解剖
      • 以计算机视觉为特征的跳跃模式(需要高速摄像机);
      • 跳跃机构建模、仿真与验证;
      • 跳跃机器人设计、建模、仿真及样机;
      • 实验数据收集。

  • 辅助设备

    • 前轮驱动轮椅的动态稳定性控制

    • 与动态控制有限公司合作。FRST主办

      电动前轮驱动轮椅是最理想的，因为它们在狭小的地方最灵活，座位位置更好，在接近桌子和办公桌时更容易定位，而且它们有最好的爬坡能力。不幸的是，前轮驱动轮椅由于其几何形状固有的过度转向不稳定。典型用户的有限协调进一步加剧了这种不稳定性。本研究项目旨在:
      • 为现有的包含固态传感器的前轮驱动轮椅试验台开发可靠的无线控制，用于实验和验证目的。
      • 验证前轮驱动轮椅的现有模型，并根据需要扩展该模型。
      • 利用该模型设计了一个动态反馈控制，并利用该试验台验证了控制器的设计。

    • 辅助和抵抗的人造肌肉

    • 由于医疗费用的上升和世界人口的迅速老龄化，必须出现较便宜的替代康复治疗方法和辅助技术。机器人技术的进步带来了机器人替代上述问题的可能性。这些替代机器人矫形器和辅助设备可以弥补目前的治疗差距，并提供更好的辅助矫形器。

      本项目旨在设计和开发一种用于膝关节康复的智能康复/辅助矫形器。该设备旨在帮助中风患者以及那些由于膝盖肌肉无力而行动不便的人。该设备将根据“需要时协助”的原则工作。这意味着它将支持和帮助用户的自然运动，而不是强迫它。一旦膝关节能够在无辅助的情况下完成运动范围(ROM)，自适应阻力特性就可以用来加强腿部肌肉。该设备的控制信号最终将来自用户自己的表面肌电图(sEMG)信号。该装置具有低成本、可移动的特点。这些功能将使用户能够在家中使用该设备，以弥补与专业物理治疗师有限的接触时间。该项目的最终目标是开发一种移动辅助矫形装置，用户可以在腿部肌肉无法完全恢复的情况下持续佩戴。因此，该设备也可以作为人类腿部肌肉的替代品/补充。

    • 人类，机器人协作系统

    • 与HITLab合作

      使人机协作自然高效是有效的人机协作的关键。特别是，在有效的沟通和协作中，基础、态势感知、共同参照系和空间参照是至关重要的。增强现实(AR)是将计算机图形叠加到真实的世界观上，可以为人-机器人系统提供必要的手段，以满足有效协作的这些要求。本项目包括:
      • 人机交互和增强现实
      • 利用增强现实技术通过空间对话创造自然人机协作的潜在途径
      • 整体建筑设计的人机协作与实现方法。
      • 将所开发的技术应用于自主机器人系统

    • 康复辅助设备

    • 与工业研究有限公司(http://www.irl.cri.nz/)合作

      脊髓损伤患者经历多个阶段的物理治疗，从患者几乎没有力量开始，运动重点是重新开发患者的活动范围，然后进行基于重量的锻炼，发展患者的力量，使他们能够获得独立。目前，物理治疗师的大部分反馈都依赖于患者报告改善的能力，这取决于他们对治疗的理解。治疗性练习本身通常需要帮助来设置，练习是漫长和重复的。这些问题都有可能通过技术得到改善。

      本项目针对C5和C6脊髓损伤患者的第一阶段物理治疗。这些患者通常失去了他们的手、手腕和肘部伸展的功能。这些患者进行的一项锻炼手臂力量的运动是对他们手臂的最大运动范围进行重复的水平扫描。这样的动作每天持续几个小时。目前在这个练习中使用的设备是一根绳子，它连接在一个舒适的手套上，在水平面上支撑手臂。这个练习的设置需要理疗师的协助。

  • 生物仪器和生物制造

      • 低成本3D打印机桌面制造生物材料支架

      • 与生物工程中心合作

        开发低成本，桌面，3D打印设备是一个快速增长的领域。一个主要应用是在生物医学行业开发多孔生物材料植入物或支架，用于替代受损的人体组织，如骨骼、皮肤和软骨(例如组织工程)。与大型商用3D打印和快速制造机器相比，使用低成本的方法，目的是生产一种能够直接从CAD/CAM模型“打印”复杂3D对象的桌面设备。它必须生产具有高精度特征(例如<50微米)的支架，并且足够灵活，以允许在一系列不同的生物材料中打印(例如变化。该设备将打印头或喷嘴连接到精确的3轴(x-y-z)表上，并结合软件直接从CAD/CAM模型驱动逐层打印路径。

        项目目标:

        • 开发点胶头，将允许点胶的材料，如ABS和金属泥浆。
        • 开发热辅助技术打印热塑性生物材料
        • 开发多个可互换的打印头，同时打印不同的材料。
        • 开发打印悬浮在水凝胶生物材料中的活细胞的技术(即用于组织工程应用的直接细胞打印)。最终的系统和组件将需要在无菌条件下运行，打印过程不得对细胞的活力造成不利影响。
        • 开发/调整驱动软件，以允许从CAD模型生成打印路径，并允许为给定的打印层自定义打印路径(例如0º-90º铺放模式与0º-45º)。

      • 用微型机器人和触觉技术进行生物操作

      • 与MacDiarmid先进材料和纳米技术研究所合作

        具有高定位精度(纳米级)的微纳米机器人和小尺寸(微米级到厘米级)的bioMEMS/NEMS器件被广泛应用于操作生物细胞等微米级物体。它们在很大程度上促进了高通量研究，并允许更好地理解细胞迁移、细胞增殖、细胞信号通路、细胞生物力学和细胞间/细胞内相互作用。由于微纳米机器人系统和bioMEMS/NEMS设备在操纵尺寸小至10纳米的细胞方面具有无与伦比的能力，因此受到越来越多的关注。最近，我们开发了全自动斑马鱼胚胎注射系统，半自动贴壁细胞注射系统，以及用于细胞和秀丽隐杆线虫力学表征的PDMS弹性装置。本项目包括:

        • MEMS力学传感器的发展
        • 用于片上实验室应用的Microfuidic通道
        • 微型机器人操作建模与控制
        • 触觉建模和控制

  • 仪器仪表、控制和自动化

    • 无线仪器的能量收集

    • 与Commtest Instruments和NZi3合作，由FRST资助

      能量收集，有时也被称为能量清除，是将环境能量(如光、热、振动和射频能量)转换为可用的电能，为电气设备提供动力的过程。近年来，许多商业部门对在用于结构和机器状态监测的无线传感器上实现能量收集技术表现出了相当大的兴趣。主要的动机是消除维护成本，并允许在不可接近的位置永久安装无线传感器。

      一般来说，能量收集系统由三个关键部件组成——能量发生器、功率调节电路和能量存储器。能量发生器本质上是将机械能转化为电能的换能器。由于所有能量收集方法的性质，从发电机收集的电能总是不规则和/或间歇性的。为了使它成为可用的能源，需要一个功率调节电路来调节功率到合适的电压和电流水平。使用能量收集技术作为唯一电源的传感器不太可能持续工作。它们在低占空比下工作，因此在传感器处于睡眠模式时，必须使用能量存储元件来积累收集的能量。

      本研究的最终目标是设计一种能量收集系统，可以完全为无线传感器的电池电源供电或补充电源，从而使传感器免维护。能量收集系统不仅要满足能量需求，还必须具有足够的物理强度，以便在通常使用无线传感器的恶劣环境中生存。能量收集系统设计的最终解决方案必须在可制造性和成本方面具有实用性。1000件的生产成本控制在50美元以内。

    • 实时设备控制的无线传感器网络

    • 与动态控制有限公司合作，并
      NZi3，由FRST资助

      无线技术是一种用于监控过程和机器的新兴技术。它提供了显著的优势，包括大幅减少布线、即插即用、可移植性和健壮性。然而，无线技术在实时控制环境中的应用尚属新领域，仍有许多问题需要克服。本研究计划将研究的课题包括:

      • 协议
      • 体系结构
      • 无线媒体
      • 开发平台
      • 系统实施及评估

    • 水下回波和声源位置

    • 与欧洲经委会声学研究小组合作。

      现有的声纳由电气和计算机工程系提供，是一种高度进化的复杂水下航行器(UV)，具有传感器、导航系统以及数据处理和存储能力，所有这些都包含在一个能够抵抗水下压力至100米深的壳体中。除了在世界坐标系(纬度、经度和深度)中的总体位置外，还需要微型导航系统来估计紫外线与平均路径的偏差，精确到毫米，以及与平均航向的姿态变化。这项研究的一个分支是开发一种一次性浮标，用于三个或三个以上的小组，旨在确定凯库拉海域抹香鲸的位置和部门。

    • 斯特林发动机发电计划

    • 整个方案的目的是开发一种方便用户使用的热机设计计算机工具，并生产一套相关的斯特林循环式热机，主要用于发电。该方案的基本目的是研究利用低品位、低环境影响的热源发电的可行性。

      由于新西兰的大部分地热能资源目前没有应用于任何有用的目的，一项有价值的工作是研究某种形式的技术是否可以用于将低等级热源(低于60摄氏度)实际转化为电能。其他低温差异可以通过太阳和海洋的热梯度以及生物分解产生。根据物理定律，低温差分热力学循环是低效的，从低温差分系统中提取能量的最实用的方法之一是使用基于斯特林循环的热机。

      作为一个例子，太阳能低温差斯特林发动机是在2004年国家菲尔德日，神秘溪，汉密尔顿演示。发动机直接为一个小型电动栅栏发电机提供动力。该系统在本次活动中获得了两个奖项;可再生能源最佳范例铜奖，原型优异奖。

    • 过程自动化

    • 该集团还积极参与制造过程的自动化，包括材料去除，焊接，检验等。需要解决的研究问题:
      • 新颖的驱动
      • 传感器和数据融合
      • 过程建模
      • 机器视觉的实时应用
      • 自适应控制
      • 系统集成

    • 结构健康监测

    • 结构健康监测(SHM)用于检测结构状态的变化，特别是在破坏性输入之后。SHM可以为重大破坏事件后的结构安全优化响应和恢复计划提供有价值的数据。它需要设备来测量响应，以及将接收到的数据处理成有意义的信息的程序。由于接收到的信号不是所期望的信号，因此经常进行数据处理。通常采用特征值实现算法(ERA)、小波分析、自适应卡尔曼滤波、H∞滤波或基于最小均方(LMS)的算法等技术，从从结构不同部位采集的加速度、速度或其他量的时间序列中确定刚度、基本周期、模态振型、阻尼、位移等参数。

      该研究旨在开发一种新型结构健康监测技术，用于多种应用，该技术基于处理低成本计算机视觉系统捕获的低噪声高频位移测量图像(10-100 Hz，噪声水平小于15%)。该算法利用常规加速度计测量的被监测结构的加速度来修正数值演算中产生的误差，从而得到速度和加速度。该方法计算强度低，对噪声灵敏度低，为实时应用提供了一种快速可靠的SHM方法。