机器人杂志

机器人杂志2020年第2期

• 基于多重几何约束的未知物体抓取位姿估计

  苏杰, 张云洲, 房立金, 李奇, 王帅

  针对机器人在非结构化环境下面临的未知物体难以快速稳定抓取的问题，提出一种基于多重几何约束的未知物体抓取位姿估计方法．通过深度相机获取场景的几何点云信息，对点云进行预处理得到目标物体，利用简化的夹持器几何形状约束生成抓取位姿样本．然后，利用简化的力封闭约束对样本进行快速粗筛选．对抓取位姿的抓取几何轮廓进行力平衡约束分析，将稳定的位姿传送至机器人执行抓取．采用深度相机与6自由度机械臂组成实验平台，对不同姿态形状的物体进行抓取实验．实验结果表明，本文方法能够有效应对物体种类繁多、缺乏3维模型的情况，在单目标和多目标场景均具有良好的适用性．

• 绳索牵引并联机器人的双空间自适应同步控制

  张彬, 张飞, 周烽, 尚伟伟, 丛爽

  在绳索牵引并联机器人（CDPR）的运动过程中，关键的问题就是绳索必须保持张紧，且多根绳索之间需要相互协调．而且，模型参数的不确定性也会在一定程度上影响其运动控制，必须加以考虑．为了解决这些挑战，将绳长空间自适应同步与工作空间自适应补偿结合起来，提出了一种新型的双空间自适应同步控制器．通过绳长同步误差来表示绳索之间的协调运动，并通过双空间自适应的方法来实时补偿不同空间中的模型参数不确定性．随后，严格证明了双空间自适应同步控制系统的闭环稳定性．将实验结果与现有的增广PD控制器进行对比发现，提出的双空间自适应同步控制器可以显著地提高绳长的跟踪精度、改善绳索之间的协调关系，从而最终提高动平台的控制精度．同时，控制器中的自适应作用可以有效地补偿末端动平台的质量变化带来的影响．

• 基于3维点云鸟瞰图的高精度实时目标检测

  张易, 项志宇, 乔程昱, 陈舒雅

  针对基于3维点云的目标检测问题，提出了一种高精度实时的单阶段深度神经网络，分别在网络特征提取、损失函数设计和训练数据增强等3个方面提出了新的解决方案．首先对点云直接进行体素化来构建鸟瞰图．在特征提取阶段，使用残差结构提取高层语义特征，并融合多层次特征输出稠密的特征图．在回归鸟瞰图上的目标框的同时，在损失函数中考虑二次偏移量以实现更高精度的收敛．在网络训练中，使用不同帧3维点云混合的方式进行数据增强，提高网络的泛化性能．基于KITTI鸟瞰图目标检测数据集的实验结果表明，本文提出的网络仅使用雷达点云的位置信息，在性能上不仅优于目前最先进的鸟瞰图目标检测网络，而且优于融合图像和点云的检测方案，且整个网络运行速度达到20帧/秒，满足实时性要求．

• 基于仿脊髓网络的咽颌模式仿生胸鳍协调控制

  刘强, 张永硕, 周鑫华, 杨慧珍

  根据所研制的咽颌模式仿生胸鳍的结构和驱动特点以及操纵运动的特征，构建了咽颌模式仿生胸鳍的仿脊髓控制网络．首先，根据咽颌模式推进时左右胸鳍的协调运动特点，构建左右仿生胸鳍仿脊髓控制网络之间的拓扑连接关系，实现左右仿生胸鳍的协调控制．然后，利用Matlab对仿脊髓控制网络在咽颌模式仿生胸鳍推进运动形态产生和左右胸鳍协调控制方面的性能进行仿真分析，并对比仿真结果与观测结果，发现两者非常吻合，从而证明了所构建的咽颌模式仿生胸鳍的结构和驱动方式及其仿脊髓控制网络是合理的，能够反映硬骨鱼胸鳍的操控机理，并且左右胸鳍的协调控制也具有较好的仿生性能．这些研究为高性能咽颌模式推进系统的研制、咽颌模式推进机理和神经肌肉控制机理等方面的研究提供了基础．

• 接触作业型飞行机械臂系统的力/位置混合控制

  孟祥冬, 何玉庆, 韩建达

  针对飞行机械臂系统移动接触作业问题，使用了一个力/位置混合控制框架，用以控制飞行器系统持续可靠地接触外部环境同时保持一定大小的接触力，并实现在接触过程中的期望轨迹跟踪．首先将作业空间分成2个子空间——约束空间和自由空间，并分别进行力控制和位置控制．对于力控制问题，证明闭环无人机系统是一个类弹簧－质量－阻尼系统，然后在约束子空间中设计逆动力学控制器来实现接触力控制．自由飞行空间中的运动控制依靠轨迹规划和位置控制器来实现．最后，开发了基于六旋翼飞行机器人的单自由度飞行机械臂系统，在飞行状态下进行接触墙面并跟踪倾斜直线轨迹的实验．结果显示本文所使用方法能够保证在平稳移动的同时控制期望的接触力．

• 仿生扑翼“0”形轨迹机构的设计及气动力特性

  郝永平, 李伦, 徐九龙, 刘凤丽, 刘双杰

  针对仿生扑翼飞行器的驱动结构进行设计，提出了一种空间摇杆式的驱动机构与机翼扭转机构，实现机翼扑动过程中的“0”形空间运动轨迹．针对机翼的空间“0”字形运动，建立仿生飞行器气动分析模型，采用动网格与非定常数值计算方法，对机翼拍动过程中不同相位下的升阻特性进行分析，并通过空气动力效率与流场对比分析，得到不同参数条件下的气动效率，为仿生扑翼飞行器的设计及扑动模式的选择提供参考．通过气动力测量实验、台架姿态标定和外场飞行测试，验证了结构设计的合理性．

• 空间机械臂地面竖直方向重力补偿控制系统设计

  徐永利, 李潇男, 刘勇, 杨明毅, 刘明洋

  为解决大型空间机械臂地面微重力模拟实验问题，设计了一种3维主动悬吊式重力补偿系统．系统主要由水平2维直线运动单元与竖直重力平衡吊挂单元组成，在竖直方向上通过恒张力控制思想实现微重力模拟，并给出了带负载的伺服电机的数学模型．提出一种基于模糊PID（比例—积分—微分）参数整定的力/位混合控制方法，并研究了在未知负载干扰、系统干扰以及机械臂不同运动速度下控制器的控制性能．仿真实验结果表明，该控制方法能够将重力补偿精度保持在0.3% F.S （全量程）之内，使得系统具有较强的鲁棒性和动态响应能力．

• 占据栅格地图的最佳栅格大小与地图精度

  岳伟韬, 苏婧, 谷志珉, 余传义, 葛彤

  针对占据栅格地图最佳栅格大小缺乏理论计算方法的问题，提出了以准确度与信息量为变量的代价函数来评估占据栅格地图的精度，从而获得最佳栅格大小的方法．首次提出了以“有义地图率”来表征占据栅格地图准确度的新概念，并通过数学推导给出了有义地图率的理论计算方法，揭示了栅格大小、传感器精度与有义地图率之间的关系，并以栅格数量来表征地图信息量．最后，通过仿真验证了有义地图率计算公式的正确性，同时通过RplidarA2雷达测扫实验验证了所提出的最佳栅格大小计算方法的正确性，进一步证实了有义地图率是地图的一种本征属性．

• 全海深着陆车机构设计及其潜浮运动性能分析

  孙洪鸣, 郭威, 周悦, 孙鹏飞, 张有波

  针对海底大范围移动考察和定点精细作业的需求，提出一种全海深着陆车．为提高着陆车潜浮运动性能，解决配载参数和潜浮时间问题，设计着陆车配有两级压载铁．基于着陆车潜浮过程动力学和运动学的分析模型，结合配载参数与重心位置函数，利用ICEM和Fluent水动力分析软件对其阻力、升力、纵倾力矩进行计算，采用最小二乘法对其水动力参数进行辨识，最终建立了潜浮运动特性与配载参数的数学模型．通过调整两级压载铁的质量与位置，实现对着陆车潜浮姿态和速度的控制，进而研究其运动性能和优化潜浮过程时间．分析结果显示，当一级压载铁和二级压载铁质量分别为53kg和50kg，安装位置分别为0.38m和0.58m时，着陆车的最短下潜和上浮时间分别为5.39h和5.98h．优化配载参数后的着陆车具有最佳潜浮运动性能，能够以最短时间完成潜浮运动，为海底科考作业提供更多时间．

• AUV智能化现状与发展趋势

  黄琰, 李岩, 俞建成, 李硕, 封锡盛

  归纳总结了国内外AUV单体平台与人工智能方法相结合的主要成果．从探测感知、航行控制决策、路径规划、故障诊断等核心技术环节进行深入剖析，探讨了人工智能方法在AUV典型作业场景下的应用．最后，指出了AUV的智能化发展趋势．

• 集群机器人研究综述

  王伟嘉, 郑雅婷, 林国政, 张亮, 韩战钢

  首先，给出了集群机器人的定义与基本特征，概括了相对于传统多机器人控制方法的优势．然后，总结了集群机器人的主要设计与分析方法．将集群机器人研究归纳为空间组织、集群导航、集群决策以及其他集群行为等4类，综述了各类别近十年的主要研究成果．最后，分析总结了当前集群机器人研究面临的挑战与关键科学问题，并对未来发展方向进行了展望．