机器人杂志

机器人杂志2020年第3期

• 一种多旋翼飞行器的设计及实验验证

  李斌斌, 马磊, 孙小通, 孙永奎, 张凯

  传统多旋翼机具有欠驱动特性，且平移、旋转运动均存在强耦合，极大地限制了飞行器的机动性能．为此本文设计了一种具备全向运动、推力矢量控制飞行、倾转悬停功能的多旋翼飞行器．该飞行器结构为正四面体，4个倾转旋翼模组分别固定于该四面体的4个顶点．每个倾转旋翼模组能够提供矢量推力，从结构上实现了飞行器姿态控制和位置控制的解耦，使得飞行器能够实现3维空间中全姿态的轨迹跟踪．为避免欧拉角控制产生的奇异性，设计了基于四元数的姿态控制器．利用可控性原理分析了旋翼发生故障时飞行器的可控性，证明了相比传统飞行器它具有更高的容错性．样机实验测试了该飞行器的大角度复杂机动动作以及推力矢量控制飞行能力，可实现最大70°的倾转悬停．实验结果表明，该飞行器相比于传统的四旋翼飞行器具备更高的机动性．

• 基于多传感器信息融合的人类抓握特征学习及物体识别

  张阳阳, 黄英, 刘月, 刘彩霞, 刘平, 张玉刚

  基于柔性可穿戴传感器及多模态信息融合，研究人类的抓握特征学习及抓取物体识别，探索人类在抓取行为中所依赖的感知信息的使用．利用10个可拉伸传感器、14个温度传感器及78个压力传感器构建了数据手套并穿戴于人手，分别测量人类在抓取行为中手指关节的弯曲角度、抓取物体的温度及压力分布信息，并在时间及空间序列上建立了跨模态信息表征，同时使用深度卷积神经网络对此多模态信息进行融合，构建人类抓握特征学习模型，实现抓取物体的精准识别．分别针对关节角度特征、温度特征及压力信息特征进行了融合实验及有效性分析，结果表明了基于多传感器的多模态信息融合能够实现18种物品的精准识别．

• 一种基于透视投影的单目3D目标检测网络

  张峻宁, 苏群星, 刘鹏远, 谷宏强, 王威

  针对单目3D目标检测网络训练约束少、模型预测精度低的问题，通过网络结构改进、透视投影约束建立以及损失函数优化等步骤，提出了一种基于透视投影的单目3D目标检测网络．首先，在透视投影机理的基础上，利用世界、相机以及目标三者之间的变换关系，建立一种利用消失点（VP）求解3D目标边界框的模型；其次，运用空间几何关系和先验尺寸信息，将其简化为方位角、目标尺寸与3D边界框的约束关系；最后，根据尺寸约束的单峰、易回归优势，进一步提出一种学习型的方位角—尺寸的损失函数，提高了网络的学习效率和预测精度．在模型训练中，针对单目3D目标检测网络未约束3D中心的缺陷，基于3D边界框和2D边框的空间几何关系，提出联合约束方位角、尺寸、3D中心的训练策略．在KITTI和SUN-RGBD数据集上进行实验验证，结果显示本文算法能获得更准确的目标检测结果，表明在3D目标检测方面该方法比其他算法更有效．

• 水下焊接机器人变质心补偿控制

  罗阳, 陶建国, 邓立平, 邓宗全

  为了补偿由于3自由度直角坐标式机械臂移动引起的HITUWV水下焊接机器人质心变化，提出基于变质心模型的自适应滑模控制方法（CVM-ASMC）．首先建立机器人变质心模型，精确地描述水下焊接机器人的变质心特性．随后，设计基于变质心模型的自适应滑模控制器，实现高精度变质心补偿．实验结果表明，相较于传统PID（比例－积分－微分）控制器与基于模型的PID控制器，提出的CVM-ASMC具有更高的精确性、更好的稳定性以及更低的能耗．因此，CVM-ASMC可以满足水下作业稳定与高精度运动控制要求．

• 基于能耗优化的深海电动机械臂轨迹规划

  白云飞, 张奇峰, 范云龙, 范云龙, 田启岩, 唐元贵, 张艾群

  由于深海电动机械臂动力学模型较为复杂，难以基于动力学模型构建精确的能耗优化目标函数，因此，本文提出一种利用径向基函数（RBF）神经网络构建机械臂功耗模型的方法．首先，利用机械臂水下运动实验数据集训练所构建的RBF神经网络．利用基于该神经网络的功耗模型，结合机械臂关节空间轨迹规划多项式，建立机械臂能耗目标函数．然后，采用自适应粒子群优化（PSO）算法求解最优轨迹参数．结果显示，RBF功耗网络均方根误差（RMSE）为20.89 W；经过优化的轨迹的能耗比实验轨迹的能耗均值降低410.8 J（18.3%）．实验结果表明基于自适应PSO算法的轨迹规划方法实现了能耗优化的目标．

• 基于短期规划的AUV纯方位目标追踪策略

  林昌龙, 刘开周, 李一平, 张忆文, 陈雁

  对自主水下机器人（AUV）追踪海洋生物的问题进行研究，由于被追踪目标的机动能力远优于追踪者，待目标运动要素的估计值收敛之后再规划追踪的路径可能错过接近目标的时机．针对这个问题，借鉴博弈的思想提出了一种基于短期规划的目标追踪算法．该方法首先构建AUV在短期内所有可行的行为集合，然后对每一个行为能够达到的状态进行态势评估，最后选择使AUV处于最有利的追踪态势的行为作为规划的结果．为了检验该方法，开展了2组仿真实验：第1组实验显示本文方法的追踪成功率比传统方法提高了5.2%，第2组实验表明即使在较大的测量误差下AUV依然可以有效地追踪到目标．仿真结果表明该方法提高了AUV追踪到目标的成功率，并且具有较好的鲁棒性．

• 连续体单孔手术机器人的建模与优化分析

  周圆圆, 李建华, 郭明全, 王志东, 刘浩

  提出了一种新构型的6自由度连续体单孔手术机器人．其形变骨架采用超弹性材料一体化成型加工，具有一系列十字交叉镂空结构的弹性铰链．建立了机器人的运动学模型，分析了机器人的可达工作空间，提出一种手术作业空间的优化搜索方法，获得了作业空间中关键位置的操作灵活性．进而以操作灵活性为目标，以关节形变能力为约束，优化分析连续体机构形变骨架的几何参数，形成提升连续体单孔手术机器人操作灵活性的参数优化方法．最后进行连续体机器人的运动控制实验，经过测试，机器人的末端位置误差为2.23 mm，角度误差为2.06°，验证了模型的准确性．

• 工业机器人负载动力学参数辨识方法

  陈友东, 胡澜晓

  为了解决负载变化导致的机器人控制性能降低的问题，本文在分析负载动力学参数对各关节力矩的影响的基础上，提出了一种仅驱动机器人的第3、4、5、6轴运行激励轨迹的辨识方法．首先，基于最小惯性参数集线性化工业机器人动力学模型；其次，在分析负载参数对各关节力矩的影响的基础上，选取相应的运动关节轴，设计适用于负载辨识的有限项傅里叶级数的优化激励轨迹；然后，在空载和带3种不用负载情况下运行激励轨迹，采集关节角度和关节力矩数据，并将数据通过低通滤波器处理；最后，基于动力学线性模型使用加权最小二乘法辨识负载动力学参数．机器人运行验证轨迹，通过计算负载力矩计算值和测量值的差的均方根（RMS）来评价负载辨识结果．同时将该方法与CAD（computer aided design）方法对比，结果显示前者最多可以将后者RMS值降为原来的16%，且该方法对不同负载辨识结果稳定有效．该方法避免了驱动所有关节轴运动的方式，减小了机器人耦合带来的误差，同时缩短了激励轨迹参数优化时间，有效提高负载动力学参数的辨识效率和效果．

• 动态环境下基于动态区域剔除的双目视觉SLAM算法

  魏彤, 李绪

  现有的同步定位与地图创建（SLAM）算法在动态环境中的定位与建图精度通常会大幅度下降，为此提出了一种基于动态区域剔除的双目视觉SLAM算法．首先，基于立体视觉几何约束方法判别场景中动态的稀疏特征点，接下来根据场景深度和颜色信息进行场景区域分割；然后利用动态点与场景分割结果标记出场景中的动态区域，进而剔除现有双目ORB-SLAM算法中动态区域内的特征点，消除场景中的动态目标对SLAM精度的影响；最后进行实验验证，本文算法在KITTI数据集上的动态区域分割查全率达到92.31%．在室外动态环境下，视觉导盲仪测试中动态区域分割查全率达到93.62%，较改进前的双目ORB-SLAM算法的直线行走定位精度提高82.75%，环境建图效果也明显改善，算法的平均处理速度达到4.6帧/秒．实验结果表明本文算法能够显著提高双目视觉SLAM算法在动态场景中的定位与建图精度，且能够满足视觉导盲的实时性要求．

• 基于改进的A^*算法与动态窗口法的移动机器人路径规划

  王洪斌, 尹鹏衡, 郑维, 王红, 左佳铄

  提出了一种改进的A*算法与动态窗口法相结合的混合算法，以解决移动机器人在多目标复杂环境中的路径规划问题．首要，为了提升算法的运行效率，实现单次规划的路径可通过多个目标点，同时提升路径平滑处理的灵活性并满足移动机器人非完整约束条件，本文利用目标成本函数对所有目标进行优先级判定，进而利用改进的A*算法规划一条经过多个目标点的最优路径，同时采用自适应圆弧优化算法与加权障碍物步长调节算法，有效地将路径长度缩短5%，转折角总度数降低26.62%．其次，为实现移动机器人在动态复杂环境中局部避障并追击动态目标点．提出将改进动态窗口算法与全局路径规划信息相结合的在线路径规划法，采用预瞄偏差角追踪法成功捕捉移动目标点，并提升了路径规划效率．最后，对所提方法进行仿真实验，结果表明该方法能够在复杂动态环境中更有效地实现路径规划．

• 一种新型欠驱动机械手爪的抓取分析和优化设计

  马涛, 杨冬, 赵海文, 李铁军, 艾宁义

  传统欠驱动机械手的运动和功能单一，难以实现对不同尺寸物体的稳定抓取．为此，提出了一种新型欠驱动手爪结构，并进行抓取分析和优化．首先，介绍了欠驱动机械手爪的整体机构设计，并对手指进行静力学分析，针对手爪包络抓取物体时可能发生弹射的不稳定情况，进行手指结构优化．然后，基于刚度矩阵的势能模型，确定指尖合理的尺寸范围并建立指尖最佳形状．通过几何约束中的数学公式，表达了指尖抓取时手指位姿和物体尺寸的关系．最后，完成手爪样机的搭建，并对常见家用物品进行了指尖抓取和包络抓取实验．实验结果表明，该机械手爪能够对各种尺寸大小的物体进行稳定抓取．

• 柔性下肢外骨骼机器人研究进展及关键技术分析

  赵新刚, 谈晓伟, 张弼

  首先简要描述了下肢外骨骼机器人在康复、工业以及军事等领域的应用需求，并对刚性与柔性下肢外骨骼系统（RLEEX/SLEEX）的优缺点、研究难点和适用人群进行了分析与对比．然后，对国内外研究机构在柔性下肢外骨骼机器人方面的研究历程与进展进行详细综述，重点描述了系统样机的结构与驱动特点、传感器布局方式、控制策略搭建以及助力效能评估等几项研究内容．最后，围绕柔性结构、意图识别、控制策略及助力评估共四方面关键技术进行了总结，并对未来发展趋势进行展望．