机器人杂志

机器人杂志2020年第6期

• 结构化环境下基于结构单元软编码的3维激光雷达点云描述子

  周光召, 苑晶, 高海明, 孙沁璇, 张雪波, 俞诗卓

  在同时定位与地图构建（SLAM）系统中，基于3维激光雷达点云数据的闭环检测由于描述子计算困难而极具挑战．为此，本文提出一种结构化环境下可用于闭环检测的基于结构单元软编码的新型3维激光雷达点云描述子．针对3维激光雷达点云的稀疏性和独立性导致的3维空间线段提取困难的问题，首先通过几何滤波的方法提取3维空间中垂直于地面的线段，用于保留3维空间的结构信息；然后，基于线段的空间几何关系构建结构单元集合，并通过软编码技术计算特征向量，作为3维激光雷达点云的描述子；最后，通过两帧点云描述子的匹配实现闭环检测．在KITTI公开数据集和自采数据集上的对比实验，验证了本文方法在时效性和鲁棒性等方面均优于主流的3维激光闭环检测方法．

• 外骨骼式遥操作主手设计及主从异构映射算法研究

  李家霖, 杨洋, 杨铁, 赵亮, 于鹏

  为了更好地促进机器人适应复杂的遥操作任务，开发了能够精确获取人体上肢运动信息的外骨骼式遥操作主手，并通过异构映射算法，实现对6自由度协作机械臂的遥操作．首先，基于人体仿生结构，设计了可穿戴式8自由度外骨骼主手（臂部7自由度和手部1自由度）；其次，通过改进的D-H（Denavit-Hartenberg）方法建立遥操作系统的运动学模型，基于Matlab的机器人工具箱进行了工作空间仿真，并设计主从异构映射算法；最后，实验验证外骨骼主手在遥操作系统中的可操作性，以及工作空间异构映射算法的可行性．实验表明，外骨骼主手能够控制从端机械手臂，且保证末端位置和姿态一致，可在大范围工作空间内复现人体上肢精细运动，主从跟随误差达2 mm，工作空间类似于直径1.08 m的半球形．因此，可穿戴式的外骨骼主手使操作者能更加直观地参与到遥操作系统当中，辅助操作者更加高效地完成精细复杂任务．

• 适用不同Brunnstrom等级患者基于表面肌电信号的动作识别方法

  王丰焱, 张道辉, 李自由, 赵新刚

  针对不同患病程度的脑卒中患者运动意图识别率低的问题，提出了一种适用于不同Brunnstrom等级患者基于表面肌电信号（sEMG）的动作识别方法．首先将所有等级患者sEMG数据进行融合，使用tsfresh库提取特征，然后基于随机森林（random forest，RF）模型筛选特征，并利用筛选的特征训练动作分类模型．进一步，通过研究动作和康复等级的关系，确定了康复评估动作并设计了康复等级自动评估算法．为了验证所提方法的有效性，在24例患者sEMG数据上进行了测试，实验结果表明所提方法能够将9种动作和6类康复等级的平均识别精度分别提升至89.81%和94%．基于所提方法构建的手部康复机器人系统能够实现康复等级自动评估．

• 多模块蛇形管道打磨机器人的设计与分析

  谢同雨, 李清, 丁煜文, 孙黎明

  设计了一种由多个模块构成的蛇形管道打磨机器人，各个模块之间可以快速拆装，其中驱动模块为机器人在管道中前行提供动力牵引．该机器人可以主动适应内径为250 mm~450 mm的直管道、弯管道及其组合管道，可以在管道内部实现以打磨作业为主的作业功能．同时，提出了适用于蛇形管道打磨机器人自身过弯管的速度模型，通过对机器人的力学分析得出各个模块之间相互作用力的计算方法及影响机器人在管道内部转体运动发生的因素．在ADAMS软件中进行了虚拟样机仿真验证，初步验证了蛇形管道打磨机器人的通过性并得出机器人在管道内部前行的最佳匹配．最后，搭建了实验平台，制作了机器人真实样机，验证了机器人对内径为250 mm~450 mm管道的适应性、通过性及作业效果．

• 基于张拉整体结构的连续型弯曲机械臂设计与研究

  李冰玉, 阚子云, 彭海军, 周文雅, 吴志刚

  为实现对目标物体的缠绕捕获，利用张拉整体结构质量轻、变形大等特点，提出一种基于张拉整体结构的连续型机械臂的设计．本文首先设计连续型机械臂的结构，建立其力学模型．通过准静态和动态分析，对不同驱动形式下的连续型机械臂运动进行仿真，并在实验平台上验证所建力学模型的准确性，最后分析了其工作空间及奇异位姿．实验结果表明本文设计的连续型机械臂可以实现弯曲缠绕变形，满足对不同大小物体进行缠绕捕获的需求．

• 仿蚯蚓移动机器人离散步态控制与相位差控制特性比较

  何子瀚, 方虹斌, 徐鉴

  从机器人的运动特征、稳态平均速度和波动特性3个方面，对仿蚯蚓移动机器人的离散步态控制策略和相位差控制策略进行比较研究．首先，通过学习蚯蚓的形态学特征，基于舵机－弹簧钢片复合结构，设计并制作了可以执行拮抗变形的仿蚯蚓机器人单元，并将其串联得到一个8单元仿蚯蚓移动机器人．以该机器人为平台，从理论和实验角度研究了机器人在离散步态控制和等相位差控制下的平均速度和运动特征．研究发现，对于2种控制策略，实验得到的平均速度都与理论预测定性吻合，但机器人单元在运动过程中有可能发生显著的向后滑动，使得实验得到的平均速度低于理论预测的平均速度．随后，从波传播的角度对2种控制策略进行了比较．2种控制策略都使得机器人单元的变形以波动的形式沿机器人进行传播，传播方向与机器人运动方向相反，与蚯蚓的后退蠕动波机理保持一致．对于离散步态控制，波传播的波形、波速、波长和周期都与步态参数密切相关；对于相位差控制，波形和周期都由作动规律决定，不能通过相位差进行调节，但波速和波长与相位差成反比．从控制效果来看，机器人在最优的等相位差控制模式下可以实现更高的平均速度，且与蚯蚓的连续特征保持一致，具有一定的优势．

• 一种针对全海深载人潜水器的异步融合组合导航算法

  张志慧, 赵洋, 姜成林, 李智刚

  全海深载人潜水器（HOV）组合导航中会产生异步融合现象，传统的组合导航算法在处理时会产生较大的误差．针对这一问题，提出了一种基于机器学习和无迹卡尔曼滤波（UKF）的异步融合组合导航算法．首先建立了针对超短基线（USBL）声学定位系统预测的机器学习模型，通过USBL声学定位系统的观测数据集来训练该模型，并用得到的模型来预测更新间隔内的数据．最后使用UKF将已更新的数据集进行融合．仿真结果表明，相比传统的组合导航算法，本文的异步融合组合导航算法可以将USBL声学定位系统数据异步问题所引起的误差降低17%，有效提高了组合导航系统的精度．

• 经尿道手术机器人研究进展及关键技术分析

  孙振, 王田苗, 王君臣, 张学斌

  经尿道手术由于尿道解剖结构狭窄、内窥镜视野狭小，对医生的技术和经验要求较高，且术后并发症较多，亟需融合机器人技术提高手术质量、减少并发症、缩短医生学习曲线时间．为促进我国经尿道手术机器人的研究和发展，综述了国内外经尿道手术机器人研究现状，并分析了典型的经尿道手术操作，对经尿道手术机器人所涉及的机器人机构设计、力反馈技术、精密运动控制以及手术导航等关键技术进行了详尽的分析．在总结研究成果和分析关键技术的基础上，指出经尿道手术机器人今后的发展趋势和面临的挑战．

• 移动机器人视觉惯性SLAM研究进展

  施俊屹, 查富生, 孙立宁, 郭伟, 王鹏飞, 李满天

  在研究领域，基于滤波和基于优化是两种实现视觉惯性SLAM（同时定位与地图创建）的主导方法．本文基于这两种方法介绍视觉惯性SLAM，说明了视觉惯性SLAM的最新研究进展和关键问题，对比了几种代表性的视觉惯性SLAM框架，并对未来进行了展望．

• 水下多指手研究现状

  陈言壮, 张奇峰, 田启岩, 霍良青, 封锡盛

  通过对国内外水下多指手研究进展的充分调研和总结，对水下多指手的现状和结构进行了综述，对影响水下多指手发展的密封与防腐技术、力感知技术、抓取最优规划技术及抓取力控制技术等关键技术进行了总结和分析，并展望其未来的发展趋势．