机器人杂志

机器人杂志2019年第6期

• “海斗号”全海深自主遥控水下机器人参数化设计方法与试验研究

  唐元贵, 王健, 陆洋, 要振江

  以“海斗号”全海深自主遥控水下机器人（ARV）高效地实现深渊探测为目标，在分析其面向使命的典型性能指标的基础上，提出运用模糊层次分析法，构建“海斗号”总体设计的参数化模型．通过模型参数配置和优化，实现“海斗号”以最小时间成本完成深渊探测的目标．通过2次马里亚纳海沟深渊科考航次的海上试验，实现了“海斗号”与大垂直剖面深渊探测需求的匹配性，验证了本文参数化设计方法的有效性．

• 基于多块动态混合网格的AUV自航类物理数值模拟

  吴利红, 李一平, 刘开周, 封锡盛, 王诗文, 艾晓锋

  提出了一种采用多块动态混合网格进行AUV（自主水下机器人）自航试验的类物理数值模拟的方法．对AUV带舵翼和螺旋桨的全附体进行建模，采用UDF（用户自定义函数）实现推进器和AUV之间的力和速度传递，结合6DOF（自由度）运动方程求解AUV的运动参数，采用动态层方法进行网格更新，最终实现AUV从静止到匀速的直航运动的自航推进数值模拟．相对MFR（多参考系坐标）法，自航速度误差为2.6%，伴流分数误差为3.7%，推力减额误差为6.8%．与非结构动网格法和重叠网格法相比，该方法的计算收敛快．同时，数值模拟获得了AUV自航推进过程中的速度曲线，推力和阻力变化曲线，自航推进的尾迹和压力云图，以及相应的动画，揭示了自航推进过程中船、桨、舵相互作用的内在机理，为进行更复杂的载体操纵运动提供类物理数值模拟方法．

• AUV与自主移动坞站对接的技术研究及系统设计实现

  郑荣, 吕厚权, 于闯, 韩晓军, 李默竹, 魏奥博

  为了实现多海洋机器人自主出海协同作业、进一步提高自主水下机器人（AUV）的综合作业能力、丰富海洋无人作业场景、延长AUV自主作业的时间，研究了水下自主机器人动态对接技术．针对包容式移动坞站设计了一套基于声学导引的回坞系统，根据坞站结构特征、导引传感器解算原理规划了末程回坞路径．在保障回坞安全的前提下，以移动坞站为中心将回坞水域划分为安全区、危险区、入坞区，根据AUV与坞站间的相对位置关系在安全区和回坞区内规划了回坞路径，并对应不同路径设计了相应的控制策略和导引算法．最后，通过湖上试验验证了回坞系统的可靠性．相关导引算法、控制策略通用性较强，在一系列的悬停入坞试验、移动入坞试验中具有较高的鲁棒性；在水下不同深度和不同航速的入坞试验中，所设计的方法能够保证较高的入坞成功率，技术固化后的入坞测试显示，入坞成功率在90%以上．

• 人脸位姿协同的多新息抗扰滤波算法

  吴华静, 李佳田, 林艳, 张文靖, 王聪聪, 李键

  在偏转角度较大时，人脸特征点的显著性明显减弱，会导致人脸位姿计算结果带有较大噪声．针对这一问题，提出了多新息抗扰滤波算法，将运动人脸与标准人脸模型的位姿变化作为滤波观测量：（1）引入多新息修正滤波估计，利用时间序列的多组观测量估计人脸位姿变化的状态量；（2）实时判断滤波敛散性，根据多新息及时估计观测噪声协方差与过程噪声协方差，调整卡尔曼增益矩阵；（3）建立位姿协同模型，依据滤波后的人脸位姿变化计算相机运动参数，达到相机与人脸位姿协同．在给出试验装置硬件构成的基础上，将本文算法与自适应卡尔曼滤波（AKF）算法进行对比．试验结果表明，在人脸位姿协同系统中，本文算法位姿估计误差小于10 mm，相机协同时间约为25 ms，相较于AKF算法位姿准确度提高23%，协同效率提高30%，能够有效抑制位姿协同中人脸位姿计算所带来的噪声影响，在提高人脸位姿协同系统稳定性的同时，保证响应的实时性．

• 基于AM-RPPO的双足机器人适应性行走控制算法

  马璐, 刘成菊, 林立民, 徐斌辰, 陈启军

  提出了一种带有注意力机制和循环近端策略优化（AM-RPPO）的深度强化学习（DRL）方法并将其应用于双足机器人的适应性行走控制．首先，对未知环境下双足机器人关节空间行走控制问题依照部分可观测马尔可夫决策过程（POMDP）进行建模，指出了DRL算法近端策略优化（PPO）对真实状态的估计存在偏差的问题．其次，引入循环神经网络（RNN）架构，分析了RNN对时序环境观测状态不同于多层感知机的正向传播过程，说明了RNN相对于传统神经网络的优势，并且将RNN分别嵌入动作生成网络和价值函数生成网络中．再次，引入在深度学习诸多领域应用广泛的注意力机制（AM），利用AM建立基于不同时间步的状态，求得最终价值函数的权重差异化模型．最后，通过仿真实验验证了提出的AM-RPPO算法对存在高维状态信息输入的双足机器人控制问题的有效性．

• 基于电势场法的移动机器人全局路径规划算法

  万方, 周风余, 尹磊, 王玉刚, 陈科, 沈冬冬

  针对传统路径规划算法计算量大、电路映射地图建模复杂等问题，提出了一种基于电势场法的路径规划新方法．首先，为降低环境建模的复杂度，对Zhang细化算法进行了改进，获得能够细致描绘地图连通关系的骨干图；在此基础上，提出了一种基于电势场理论的模型建立方法，此后通过对模型电流通路的快速搜索获取初始路线，大大降低了路径规划算法的运算量；然后，基于内接圆角方法对路径进行平滑处理，解决了路径离散问题，得到适合服务机器人行走的最优路径．大量对比实验表明，该改进Zhang细化算法有效降低了建模及求解复杂度，提出的基于电势场法的全局路径规划算法很好地解决了传统算法搜索效率低的问题．

• 基于语义信息和边缘一致性的鲁棒SLAM算法

  姚二亮, 张合新, 宋海涛, 张国良

  为解决动态环境中视觉定位精度下降、鲁棒性不足的问题，并改善构建的环境地图，提出一种基于语义信息和边缘一致性的鲁棒同时定位与地图创建（SLAM）算法．首先使用YOLOv3算法获取环境语义信息，得到初步的图像语义动静态分割．而后使用基于图像中边缘的距离变换误差和光度误差的一致性评估，进一步对图像的动静态区域进行细分，并利用连通区域分析和漏洞修补算法修正动态区域．使用图像非动态区域的特征点进行特征匹配，利用非线性优化算法最小化特征点的重投影误差，得到优化的相机位姿．利用特征点共视性和动静态区域面积进行绘图关键帧的选取，从而构建不包含动态物体信息的静态环境地图．公开数据集中高动态环境的实验表明，本文算法能够准确地区分图像中的动静态信息，完成动态环境下的精确定位与地图构建任务．并且本文算法在纯静态环境下不存在定位精度下降的情况．

• 基于吸收透射率补偿及时空导向图像滤波的实时视频去雾

  崔童, 田建东, 王强, 任卫红, 唐延东

  视频去雾技术的难点主要在于如何保证视频数据的时空一致性，为了解决这一问题提出了时空导向图像滤波优化算法．该算法考虑了视频帧间信息在空间和时间维度上的一致性因素，在平滑透射率纹理并保护显著边界的同时，能够克服视频中的闪烁噪声，保证视频去雾结果的流畅性．由于经典去雾模型仅考虑散射对于雾生成的影响，导致大多数基于该模型的去雾算法在近景处常产生过饱和噪声，针对此问题提出了一个基于吸收透射率补偿的透射率估计算法，弥补了经典模型忽略大气吸收衰减的缺陷，能够显著提高透射率估计精度，有效地抑制近景处过饱和噪声的产生．在真实雾视频和合成雾视频数据上进行了与现有先进算法的对比实验．有参考定量评价结果表明，本文算法的信噪比及结构相似性两项指标分别高于其他算法至少12%和3.4%；无参考的可见边界恢复评价指标至少高于其他算法5.7%．所提出的实时视频去雾算法能够更有效地恢复高频信息，更恰当地提升图像对比度，所获得的无雾视频色彩也更加自然、真实．

• 室外环境下基于证据理论的多气味源测绘及定位

  李吉功, 杨静, 周洁勇, 刘佳, 杨丽

  采用单个移动机器人对室外自然环境下的多气味源定位问题进行了研究．首先构建嗅觉感知模型，将机器人在每个采样周期中测得的气味浓度和风速/风向信息融合为局部区域内是否存在气味源的证据．然后采用证据理论将该证据与已有证据进行组合，从而更新气味源的空间分布图．最后在室外自然环境下进行实验，结果表明所提出的嗅觉感知模型可用于时变流场下的多气味源在线测绘．对比IP（independence of posteriors）算法（一种贝叶斯占用栅格测绘方法），所提出的基于证据理论的测绘方法具有较好的鲁棒特性．

• 基于双层级CPG的3维蛇形机器人运动控制方法

  乔贵方, 韦中, 张颖, 万其, 宋光明

  为实现3维蛇形机器人多模式运动控制，提出了一种基于双层级中枢模式发生器（CPG）的运动控制方法．该双层级CPG网络包含节律层和模式层，节律层的CPG神经元用于控制3维蛇形机器人的俯仰关节组和偏转关节组的相位关系，模式层的CPG神经元用于控制3维蛇形机器人关节组内各个关节的相位差及关节轨迹．首先，利用Kuramoto振荡器对CPG神经元进行建模，并确定CPG网络的层级结构和耦合拓扑；然后，基于蛇形约束曲线计算3维蛇形机器人侧滚运动、侧移运动、滑行运动及转向运动4种典型运动步态的控制参数；最后，通过联合仿真和实验验证该双层级CPG网络的控制性能．由实验结果可知，3维蛇形机器人的侧滚运动、侧移运动、滑行运动以及转向运动的实际速度分别能够达到3.9 cm/s、9.0 cm/s、2.1 cm/s和10.8°/s．因此，该方法能够有效地、灵活地控制3维蛇形机器人的多模式运动．

• 基于角度对称性调节的蛇形机器人路径跟随方法

  张丹凤, 李斌, 常健

  为了控制蛇形机器人在摩擦系数未知的地面上跟随期望路径，提出基于角度对称性调节的路径跟随方法．根据运动学分析可知，若关节角度对称变化，则机器人运动方向不发生改变；否则，其运动方向可以发生改变．基于该思想，在力矩控制中设置一个参数，可根据目标点与机器人的位置进行调节，并控制关节角度的对称性．将目标点设置在期望路径上，并且随着机器人的运动，目标点沿着期望路径不断地更新．当机器人没有沿着期望路径运动时，方向参数呈不对称变化．通过负反馈控制使其不对称程度减小直至消失，从而使机器人沿着期望路径运动．最后在不同未知摩擦系数的地面上进行了仿真，得到的轨迹和误差结果显示机器人能够根据期望路径调整运动方向，说明该方法不仅能跟随期望的直线和曲线路径，而且可以在发生侧滑时完成路径跟随任务．

• 双臂协调搬运过程中基于变阻抗模型的位置/力混合控制

  段晋军, 甘亚辉, 戴先中

  针对双臂协调搬运中同时存在外部干扰和内力约束的复杂耦合运动，提出了一种基于变阻抗模型的内外位置/力混合控制策略．首先，分析了闭链系统下面向被操作对象的运动规划和动力学模型．然后，根据协调搬运特性将任务空间正交解耦为外环的位置自由子空间和内环的力约束子空间，对于位置子空间中的外部干扰采用阻抗模型进行轨迹跟踪，对于力约束子空间中的内力约束采用变阻抗模型进行力跟踪．最后，在搭建的仿真环境和物理环境中对双臂协调搬运物体进行实验验证，实验结果表明所提算法对于外部干扰表现出柔顺性并满足内力约束条件．

• 一种气动肌肉拮抗驱动机器人关节的类人运动控制方法

  龚道雄, 何睿, 于建均, 左国玉

  为了实现气动人工肌肉拮抗驱动机器人关节系统的类人运动控制，针对该系统严重非线性的特点，本文将其控制问题视为一个非线性最优控制问题，根据人体手臂关节运动的最小加加速度模型设定系统的最优控制性能指标，首先采用扩张状态观测器将机器人关节模型线性化得到积分器串联标准型，然后在线性化模型基础上设计最优控制律，使机器人关节具有与人手臂关节相似的无约束运动轨迹．仿真结果表明，采用本文算法，机器人关节能实现大运动范围（0~120°）的类人运动，关节运动轨迹对负载的改变（1 kg~5 kg）不敏感，并且关节运动具有较好的抗扰动能力．在机器人关节实验平台上通过实物实验验证了算法的有效性，并进一步讨论了控制器参数的设计规则．本文算法需要整定的参数只有2个，适用于气动肌肉拮抗驱动关节的类人运动控制，能够满足协作机器人在本质安全性、运动柔顺性以及类人运动模式等方面的要求．

• 基于简约模糊系统的多福祉机器人移乘方法

  赵东辉, 杨俊友, 白殿春, 姜银来

  针对行动不便者在日常生活中起床、站立、排泄等移乘行为的辅助，基于自主研发的5台福祉机器人与传感器网络搭建了智能助老助残房间．该系统为移乘行为提供服务平台，并提出了兼具安全性与舒适性的移乘推理算法和移乘规划方法．首先论述了多福祉机器人的功能与日常自主行为的局限性．针对多种不同行动能力的用户群体，提出了一种基于简约粗糙集的移乘方式推理算法．在使用者对自己行动能力不确定、病情信息不完备的情况下，制订对应的移乘方案．然后，以使用者行为的安全性与舒适性为出发点，提出了起床移乘规划与站立移乘规划．最后进行了移乘方法推理及移乘实验．实验表明，该移乘推理算法可以为不同行动能力的使用者制订合适的移乘方法．站立移乘状态下，可以分别减小患侧与健侧足底压强39.9%和19.5%，起床移乘状态下可以分别减小背部与臀部的压强5.05%和3.95%．该基于多福祉机器人的移乘推理系统可以应用于家庭、养老院与康复中心等场合．

• 基于RGB-D传感器的室内服务机器人舒适跟随方法

  孙月, 刘景泰

  合人类行为和社会互动相关科学研究，提出了一种考虑人类舒适感受的服务机器人跟随方法，以实现更为友好有效且具有较高接受程度的跟随行为．依靠具有高可靠性和低成本特性的~RGB-D（RGB-depth）传感器，研究了基于~HOG（方向梯度直方图）的人体目标检测算法和基于~UKF（无损卡尔曼滤波器）的人体目标跟踪算法，实现了在动态非结构环境下对人体目标实时准确的检测和跟踪．在讨论跟随舒适性影响因素的基础上，建立了舒适跟随模型和行为效用函数，实现了基于舒适性的运动控制和规划．对所提出的机器人舒适跟随方法进行了系统性的实验分析和评价，从而对跟随行为的有效性和可用性进行验证，也进一步为人与机器人之间的友好交互提供了可能．

• 绳驱动柔性上肢外骨骼机器人设计与控制

  孙定阳, 沈浩, 郭朝, 肖晓晖

  为了提高上肢外骨骼机器人的拟人化程度及关节柔性，设计了一种由串联弹性驱动器和鲍登线驱动的4自由度柔性上肢外骨骼机器人．首先，设计一种六连杆双平行四边形机构，建立肩关节虚拟转动中心，满足人体肩部3自由度运动需求．然后，设计基于串联弹性驱动器和鲍登线的驱动模块，将驱动器和机器人关节分离，降低结构的复杂度，减轻关节质量，实现力矩/位置信息的反馈．最后，构建机器人运动学及动力学模型，设计关节阻抗控制器并对样机肘关节进行阻抗控制实验．由实验结果可知，刚度系数在0.5 N· m/（°）~1.5 N· m/（°）时，力矩跟踪均方根为0.33 N· m；阻尼系数在0.001 N· m· s/（°）~0.01 N· m· s/（°）时，力矩跟踪均方根为0.57 N· m．实验结果表明，调节阻抗控制器中的阻抗系数能够改变关节的刚度和阻尼特性，从而提高人机连接的柔顺性．因此该机器人可以满足康复训练需求．

• 基于虚拟夹具的手术机器人导纳控制安全策略

  唐宇存, 张建法, 武帅, 孙凤龙, 匡绍龙, 孙立宁

  针对人机协同手术全过程中医生不正确操作以及手术空间复杂性所导致的潜在安全问题，提出基于虚拟夹具的导纳控制安全策略．该策略针对人机协同手术中拖动引导阶段、精准定位阶段以及手术操作阶段的特点，结合导纳控制原理，分别设计了管道虚拟夹具、圆锥体虚拟夹具以及基于人工势场的禁止型虚拟夹具模型．在自主研发的手术机器人上模拟关节置换手术进行相应的实验验证，结果表明管道虚拟夹具可以在一定范围内有效地辅助机器人沿着轨迹运动；圆锥体虚拟夹具可以有效地减小医生拖动机器人时的定位误差，其定位误差为0.23 mm；禁止型虚拟夹具可以有效地避免机器人越过手术区域，从而保证机器人手术操作的安全．