机器人杂志

机器人杂志2020年第1期

• 具有高位移增幅特性的柔顺并联式<i>x-y-θ</i>微动平台

  吴高华, 杨依领, 李国平, 娄军强, 魏燕定

  考虑到微装配和微操作任务对微动平台高位移增幅比、多自由度和低输出耦合比的要求，结合柔顺放大机构和复合平行四边形机构，设计了一种并联式x-y-θ微动平台．首先根据伪刚体方法得到了微动平台的静、动力学模型，然后采用有限元仿真分析了平台的输出位移、转动角度、共振频率和输出耦合比，最后搭建实验测控系统验证了微动平台的开环性能．实验结果表明：微动平台在x和y轴方向的位移增幅比分别为8.1和8.3；当输入位移为20μm时，平台的行程为162.2μm×165.6μm×2547.1μrad，x、y平动方向的1阶共振频率为224.6 Hz和227.7 Hz，x与y轴方向平动时的输出耦合比分别为0.86%和0.91%．位移增幅比和1阶共振频率的实验结果与有限元仿真之间的相对误差分别小于27.2%和6.4%，故而实验测试验证了理论模型和有限元仿真分析的有效性．

• 螺线型气动软体致动器设计与建模

  张志远, 王松涛, 王学谦, 孟得山, 梁斌

  为了探索海马尾巴的解旋能力，基于生物结构的启发提出了一种基于螺线构型的气动软体致动器．区别于已有的软体致动器的弯曲运动，螺线型气动软体致动器（螺线型致动器）随着输入气压的增大可以实现正负曲率两个方向的展开运动．首先，在保持基体外侧弧长相同的情况下，依据圆形、阿基米德螺线、对数螺线3种不同螺线的数学表达式对螺线型致动器进行了3种结构设计；其次，基于超弹性材料模型、几何关系和虚功原理建立并修正了通用的静力学模型，描述输入气压与展开角度的关系；然后，对3种结构的螺线型致动器进行样机制作，并测试了它们的运动性能；最后，对比静力学模型计算结果和样机实验数据，最大平均展开角度误差为10.0166°，证明了模型的准确性．另外，根据从形状刻度线采集的坐标数据转换得到的构型空间参数，重建了螺线型致动器在不同展开状态下的理论展开形状，验证了构型空间参数获取方法的可行性．

• 基于螺旋理论的四面体可展机构运动特性与动力学分析

  韩博, 韩媛媛, 许允斗, 郑东, 姚建涛, 赵永生

  为了解决星载四面体构架式可展开天线运动学和动力学建模分析困难的问题，建立了一种基于螺旋理论的运动学和动力学特性分析方法．首先分析了3RR-3RRR四面体可展机构的构型机理及几何特征，基于螺旋理论绘制了旋量约束拓扑图，计算了机构的自由度，结果表明其只有1个自由度．然后对其进行了运动学分析，通过运动旋量的组合运算分析了各个构件的速度，并推导得到了机构的雅可比矩阵，采用旋量导数表示构件的6维加速度，推导得到了各个花盘和杆件的角加速度与质心线加速度．最后基于牛顿－欧拉方程和虚功原理建立了动力学方程，并进行了数值计算与仿真验证，数值计算结果与仿真结果完全一致，验证了基于螺旋理论的运动学和动力学特性分析方法的正确性．本文的研究方法在分析过程中各参数物理意义明确，分析过程较为程式化，易于编程，适合应用于此类空间可展开机构的分析中．

• 机器人带未知负载条件下的碰撞检测算法

  李智靖, 叶锦华, 吴海彬

  未知负载会增大机器人模型误差，对碰撞检测产生严重干扰，甚至导致算法失效．为此，本文提出了一种适用于机器人带负载工作情况的碰撞检测算法．首先，基于机器人广义动量设计具有带通滤波特性的新型力矩观测器，通过对机器人动力学频域特性进行分析，得到机器人动力学模型与关节运行速度对应的最大频率阈值，确定带通力矩观测器的参数．然后，利用带通力矩观测器对关节力矩信号进行滤波，提高碰撞检测算法对机器人模型误差的容忍度．最后，通过人与机器人交互实验进一步验证了该碰撞检测算法的有效性．实验结果表明，该算法与已有的算法相比具有更好的鲁棒性，可满足机器人带未知负载0～2 kg的工作需求．

• 一种基于半直接视觉里程计的RGB-D SLAM算法

  谷晓琳, 杨敏, 张燚, 刘科

  提出了一种新的基于半直接视觉里程计的RGB-D SLAM（同步定位与地图创建）算法，同时利用直接法和传统特征点法的优势，结合鲁棒的后端优化和闭环检测，有效提高了算法在复杂环境中的定位和建图精度．在定位阶段，采用直接法估计相机的初始位姿，然后通过特征点匹配和最小化重投影误差进一步优化位姿，通过筛选地图点并优化位姿输出策略，使算法能够处理稀疏纹理、光照变化、移动物体等难题．算法具有全局重定位的能力．在后端优化阶段，提出了一种新的关键帧选取策略，同时保留直接法选取的局部关键帧和特征点法选取的全局关键帧，并行地维护2种关键帧，分别在滑动窗口和特征地图中对它们进行优化．算法通过对全局关键帧进行闭环检测和优化，提高SLAM的全局一致性．基于标准数据集和真实场景的实验结果表明，算法的性能在许多实际场景中优于主流的RGB-D SLAM算法，对纹理稀疏和有移动物体干扰的环境的鲁棒性较强．

• 基于连续－离散MRF图模型的鲁棒多机器人地图融合方法

  蒋小强, 卢虎, 闵欢

  针对多机器人同步定位与建图（MSLAM）中感知偏差会产生高度相关且互一致的异常回环，进而导致定位与地图变形等问题，提出了基于马尔可夫随机场（MRF）的通用连续－离散图模型．其中，连续图对标准位姿图（pose graph）进行建模；离散图通过对异常值相关关系的显式建模，建立剔除模型．在此基础上，进一步利用凸松弛方法，将连续－离散图代表的非凸且NP（非确定性多项式）完全的组合优化问题转化为半正定规划（SDP）问题，方便利用现有凸优化工具进行求解．仿真和实测数据实验表明，本文方法提高了位姿图对感知偏差带来异常外点的鲁棒性，且结果不依赖于位姿初始值的好坏，在异常值占比为50%的情况下，剔除率仍可达99.8%，地图融合精度优于现有主流动态协方差缩放（DCS）方法和两两一致测量集（PCM）方法．

• 一种融合密度聚类与区域生长算法的快速障碍物检测方法

  李炯, 赵凯, 张志超, 朱愿

  针对智能车在城市环境下采集的3维激光雷达点云中相邻障碍物难以区分、远距离检测易分裂以及小障碍物易漏检的问题，将密度聚类算法与区域生长算法融合，提出了一种鲁棒的障碍物快速检测方法．该方法首先利用区域生长算法对点云栅格完成第1次聚类并标记出可能含有更小障碍物的栅格，然后利用参数自适应的DBSCAN（density-based spatial clustering of applications with noise）对体积较大、可能包含多目标的障碍物检测结果进行细化，最后对已标记的栅格进行第2次区域生长聚类，完成小障碍物的检测．实验结果表明，本方法在城市环境下能够准确区分和检测出障碍物，检测准确率平均可达97%，平均耗时为13 ms．

• 基于改进PSO算法的机器人路径规划及实验

  康玉祥, 姜春英, 秦运海, 叶长龙

  针对粒子群优化（PSO）算法存在的优化精度低以及早熟的缺点，提出一种改进的PSO算法用于机器人路径规划．根据梯度下降法中变量沿负梯度方向变化的原则，提出了改进的粒子速度更新模型．为了提高粒子的搜寻效率及精度，增加了自适应粒子位置更新系数．引入ε贪心策略设计了改进的粒子群优化算法．在部分优化测试函数上的多次试验结果表明，所提算法较其他算法模型搜索精度至少提高2倍，收敛速度也有大幅度的提升．将所提算法和改进的DC-HPSO（动态聚类混合粒子群优化）算法应用于静态障碍物下的路径规划仿真和实际试验，结果表明所提模型具有高精度、高效率、高成功率的优点．

• 基于加速度反馈增强的旋翼无人机抗风扰控制

  代波, 何玉庆, 谷丰, 王骞翰, 徐卫良

  为了提高无人机的风扰抑制能力，实现无人机安全飞行和精准控制，提出了一种基于加速度反馈的旋翼无人机抗风扰方法．该方法不需要改变原有的控制器结构，在原有的控制器基础上引入角加速度和线加速度反馈，从而实现更快速且更高精度的角度和位置跟踪，提升系统的扰动抑制能力．同时，为了将该算法部署在实际的无人机平台上，提出了一种简单、快速以及适用于加速度反馈的无人机参数辨识方法．结合该方法，将加速度反馈应用到一个六旋翼机上，并在户外持续风和阵风扰动环境下进行了实验验证．实验结果表明，加速度反馈增强型控制器可以有效地抑制这两种风扰，极大地提高了风扰条件下的无人机控制精度．

• 毫米级潜艇形机器人在低雷诺数液体中的3D运动及微操作方法研究

  孙强, 王敬依, 张颖, 焦念东

  为模拟机器人在人体环境中的3D运动及微操作，提出了毫米级潜艇形机器人在低雷诺数液体中保持水平姿态实现3D运动及执行微操作的方法．首先，设计并加工了潜艇形机器人以及4线圈磁驱动系统，通过COMSOL软件对磁场系统进行了有限元仿真．然后，对机器人在低雷诺数液体环境中的受力情况进行了分析，建立了机器人运动模型并研究了其多种运动模式．机器人在低雷诺数液体中可以保持水平姿态沿设定路线运动，包括垂直上升、对角上升、直角运动、螺旋上升等3D运动，最大运动速度为1.2 mm/s．通过设计的无线能量传输系统将电能引入到小尺度空间，机器人可通过无线电能驱动其前端的夹持器执行夹取、搬运、释放等微操作．

• 一种新型机器人自标定装置及其算法

  谷乐丰, 杨桂林, 方灶军, 王仁成, 郑天江

  针对传统基于几何约束的机器人自标定装置仅能对局部工作空间内的机器人位型进行标定测量的问题，提出了一种由安装于机器人末端的球心位置测量装置和可移动球杆组成的新型便携式机器人自标定装置，通过利用球面约束和距离约束，可在较大工作空间内对机器人进行标定测量，从而提高标定结果的可靠性．根据可移动球杆的单、双球布置方式，分别建立了基于向量差和距离差的2种机器人自标定模型及其算法．通过采用局部指数积公式并引入位置伴随变换矩阵，简化了2种自标定模型，从而降低了对运动学方程线性化的计算量．最后，对一种6自由度串联机器人进行了仿真实验，实验结果表明2种自标定算法均能够快速收敛，验证了2种算法的有效性和鲁棒性．

• 仿生机器鱼胸/尾鳍协同推进闭环深度控制

  李宗刚, 夏文卿, 葛立明, 杜亚江

  为改善机器鱼定深控制过程中的动态性能与稳态性能，根据深度误差的大小将定深控制过程分解为趋近阶段与巡游阶段，给出了一种基于中枢模式发生器（central pattern generator，CPG）与模糊控制相结合的闭环运动控制方法．为此，首先建立了以压力传感器信号为反馈输入，通过模糊控制器调节控制参数的CPG运动控制模型．在此基础上，针对误差较大的趋近阶段，采用胸/尾鳍协同方式，通过趋近模糊控制器改变摇翼关节的偏置量与幅值来使机器鱼快速到达期望深度；针对误差较小的巡游阶段，采用改变攻角方式，通过巡游模糊控制器改变胸鳍攻角来使机器鱼保持在期望深度．两阶段之间通过胸鳍CPG的启停实现切换．模糊控制器设计时利用了基于最小二乘法对实验数据拟合而得出的俯仰角变化率与控制参数的近似关系，提高了机器鱼趋向期望深度的速度并减小了在期望深度巡游时的稳态误差．仿真与实验结果验证了所提控制方法的有效性．

• 基于海图和改进粒子群优化算法的AUV全局路径规划

  张岳星, 王轶群, 李硕, 王晓辉

  针对AUV（自主水下机器人）在复杂条件海域做全局路径规划时面临的环境信息缺少，环境建模困难和常规算法复杂、求解能力弱等问题，提出一种基于海图和改进粒子群优化算法的全局路径规划方法．首先利用电子海图的先验知识建立3维静态环境模型，并构造路径航程、危险度和平滑函数；在粒子群优化算法中引入搜索因子和同性因子自适应地调整参数，并结合鱼群算法的“跳跃”过程提升算法的求解能力．同时建立安全违背度和选优规则以提高所规划路径的安全性．仿真实验结果表明，本文方法与传统粒子群算法和蚁群算法相比，规划出短航程、安全性高的全局路径的能力更强，可满足AUV在复杂海域航行时的全局路径规划需求．