机器人杂志

机器人杂志2021年第1期

• 基于视觉感知和触觉先验知识学习的机器人稳定抓取

  薛腾, 刘文海, 潘震宇, 王伟明

  针对机器人抓取过程中需要实时评估抓取质量以动态调整抓取构型的问题，提出了基于触觉先验知识的机器人稳定抓取方法．首先，根据抓取过程中物体抵抗外界扰动的能力，提出了一种基于触觉信息的抓取质量评估方法．在此基础上，建立了视触觉联合数据集并学习触觉先验知识．其次，提出了融合视觉图像和触觉先验知识的稳定抓取构型生成方法．最后，在搭建的机器人抓取系统中对10种目标物体进行了实验验证．结果表明，相比传统的视觉方法，该方法的抓取稳定性提高了55%；针对已知物体和未知物体，稳定抓取成功率分别为86%和79%，体现了较好的泛化效果．

• 基于视频帧连贯信息的3维人体姿势优化估计方法

  谭嘉崴, 丁其川, 白忠玉

  针对基于视频的3维人体姿态估计问题，传统方法是先估计出每帧图像中的3维人体姿态，再将估计结果按帧序排列，获得视频中的3维人体姿态．这种方法没有考虑连续帧间人体动作的连贯性，以及人体关节连接的空间一致性，估计结果中常会出现人体的高频抖动及动作的较大偏差．针对该问题，提出一种基于视频帧连贯信息的3维姿态优化估计方法．首先利用2维姿势估计结果优化人体3维关节点坐标，以减少抖动；其次引入前后帧关节点运动的逆向与正向预测，以保持动作连贯性；最后，加入骨骼连接约束，建立可保持人体动作轨迹光滑且优化前后关节连接结构一致的模型，实现对3维人体姿态的精确估计．在公共数据集MPI-INF-3DHP上的测试结果显示，与基准3维姿态估计方法相比，本文方法估计的关节点平均误差降低3．2%．在公共数据集3DPW上的测试结果显示，与未优化情形相比，加速误差降低44%．

• 单目相机—3维激光雷达的外参标定及融合里程计研究

  肖军浩, 施成浩, 黄开宏, 于清华

  针对单目相机与3维激光雷达的融合里程计问题，提出了双阶段外参标定方法和基于混合残差的融合里程计方法．双阶段相机-激光雷达外参标定结合了基于运动和基于互信息2种标定方法．第1阶段为基于运动的外参标定法，在无初值的情况下得到外参的粗估计．第2阶段为基于互信息的外参标定法，以第1阶段的结果作为初值，利用互信息原理校准激光雷达反射率和相机灰度值，来优化标定结果．为进一步提高标定精度，第2阶段采用了一种针对稀疏激光雷达点云的遮挡点检测方法．所提出的双阶段外参标定方法在无需预设初值的前提下保证了标定结果的精度．在此基础上，提出了一种基于混合残差的相机与激光雷达融合里程计方法．该方法同时利用图像的直接和非直接图像特征计算重投影残差和光度残差．然后将不同类型的残差统一到非线性优化框架下，实现里程计估计．针对激光雷达数据稀疏性带来的深度信息缺失的问题，提出了一种基于颜色信息的深度插值方法，有效补充了特征点数量．最后，基于实物和公共数据集实验，对所提出的外参标定和融合里程计算法的鲁棒性和精度进行了评估．实验结果表明，所提出的外参标定方法可以在没有初值的情况下，给出精确的外参估计；所提出的融合里程计方法在公共数据集上和实物实验中均表现出了良好的估计精度和鲁棒性．

• 一种用于刚软混杂机器人仿真的耦合模型

  夏泽洋, 陈君, 甘阳洲, 熊璟

  针对已有的机器人仿真平台无法直接用于刚软混杂机器人仿真的问题，提出了一种用于刚软混杂机器人仿真的刚软耦合模型．该模型通过一个中间过渡层将现有的刚体机器人仿真平台和软体机器人仿真平台的底层物理模型耦合起来，使得现有的2类仿真平台可以在同一架构下完成刚软混杂机器人的仿真．在机器人操作系统下，采用Gazebo和SOFA仿真平台开发了基于刚软耦合模型的刚软混杂机器人仿真系统．通过单个软体气动执行器弯曲过程的仿真与样机对比实验以及刚软混杂机器人多物体抓取仿真实验验证了所提出的耦合模型用于刚软混杂机器人仿真的有效性．

• 基于路径边沿引导策略的蛇形机器人路径跟踪方法

  张丹凤

  为了控制蛇形机器人在路径边沿的引导下沿着期望路径运动，在基于角度对称性调节的方向控制方法的基础上，提出路径边沿引导策略．随着蛇形机器人的运动，路径的2个边沿交替作为有效边沿．利用传感器检测有效边沿，根据有效边沿获得临时目标点．临时目标点随着机器人的运动沿有效边沿不断更新．不断更新的临时目标点确定了路径的延伸方向．将临时目标点引入方向控制参数，从而使机器人根据路径边沿调节运动方向．仿真显示蛇形机器人能够在摩擦系数未知的地面上根据路径边沿调整运动方向．仿真结果验证该方法不仅能实现蛇形机器人跟踪期望路径，而且能实现蛇形机器人跟踪期望路径的中心线．

• 基于复合式协同策略的移动机器人自主探索

  李秀智, 赫亚磊, 孙炎珺, 张祥银, 张晓凡

  为了有效地解决机器人在空旷的厅堂环境下的探索难题以及RRT （快速扩展随机树）难以在含有狭窄入口的环境下快速扩展的问题，提出了一种将RRT与前沿法协同实施的复合式候选目标点检测策略；此外，提出一种有效的代价值计算方法，以代价值作为最优候选目标点的评价准则；并且设计了改进的TEB （时间弹性带）算法以实现机器人的局部路径规划，确保机器人顺利到达目标点．在同样的实验条件下，在实际环境下所提方法的探索时间、行驶距离、探索次数3个参数分别为1187．465 s、97．551 m、41，在仿真环境下分别为275．119 s、130．051 m、32，较GTM （栅格-拓扑地图）、RRT的探索性能均有所提升．结果表明该方法有效地解决了机器人在空旷的厅堂环境下的探索难题以及RRT难以在含有狭窄入口的环境下快速扩展的问题．

• RGB-D相机位姿估计不确定性与观测参数化分析

  马鑫, 梁新武

  针对基于RGB-D相机的位姿估计问题，根据最大似然估计和协方差传播规律，分析了ICP （迭代最近点）与PnP （n点透视）两种算法的位姿估计不确定性；并从数据关联的角度探究了2种算法在实际应用中的差异．此外，对比了不同的特征观测参数化形式对视觉里程计定位精度的影响，并提出了一种参数化方法．基于ICP与PnP算法的区别与联系，提出RGB-D SLAM （同步定位与地图创建）系统中2种PnP算法的切换策略，并在优化问题中根据观测的不确定性对各误差项赋予不同权重．在两大公开数据集上的实验表明，与主流RGB-D SLAM算法相比本文所提算法在弱纹理、相机快速运动和动态物体等多种场景下具有更高的定位精度和鲁棒性．同时，本文所提算法的时间效率较ORB-SLAM2算法提高了约10%．

• 基于局部指数积的模块化机器人运动学参数标定

  高文斌, 罗瑞卿, 江自真

  针对模块化可重构机器人系统展开基于局部指数积法的运动学参数标定研究，提出一种基于子装配体的模块化机器人标定方法．首先，采用旋量的指数形式对子装配体进行数学描述，建立子装配体的运动学模型．然后，采用局部指数积方法，建立基于子装配体、包含关节约束条件的模块化机器人实际运动学模型．通过对运动学模型取微分，根据指数映射微分公式的显式表达式，给出模块化机器人末端位置误差与子装配体的关节旋量误差、末端子装配体的局部位置误差之间映射关系的显式表达．最后，以一套模块化可重构机械臂系统为试验平台，采用激光跟踪仪为测量设备进行试验．试验结果表明标定过程能够收敛到稳定值，经参数标定后用于试验的6自由度模块化机械臂定位误差模的平均值降低了近95%，最大值降低了近92%．

• 全海深ARV浮力配平计算方法

  陆洋, 唐元贵, 王健, 陈聪, 闫兴亚

  全海深ARV （自主遥控水下机器人）下潜至马里亚纳海沟，机器人工作环境温度降低、海水压力增大，会引起载体结构、补偿油体积变化．根据深渊海水密度、重力加速度和机器人体积的变化，计算得到机器人浮力状态的变化量，从而计算机器人浮力配平．通过公式推导并结合“海斗号”ARV深潜数据和补偿油压缩实验数据，得到全海深ARV浮力配平计算方法．其主要包括海水密度测算、马里亚纳海沟重力加速度测算、机器人结构和补偿油排水体积变化测算．计算得出在11 000 m深度实现浮力配平所需的压载为8．9 kg．完成“海斗号”ARV浮力配平，保障机器人深渊工作环境浮力与重力匹配，成功进行了多次马里亚纳海沟万米深潜．本文方法为全海深水下机器人浮力配平提供了理论计算依据．

• 基于多种群协同进化算法的绳索牵引并联机器人末端位置误差补偿

  李国江, 张飞, 李露, 尚伟伟, 陶猛

  对于绳索牵引并联机器人来说，影响其末端位置精度的模型不确定性主要包括几何参数误差和非几何参数误差．这两种不同类型的误差具有非常强的非线性且相互耦合，难以通过传统的标定手段来进行参数标定．针对这一问题，提出了一种基于神经网络的末端位置误差补偿方法．将两种不同类型的参数误差等效视作伪误差，通过神经网络来逼近伪误差造成的末端位置误差曲线，建立末端位置误差与绳索长度之间的映射关系，并在关节空间中进行位置误差补偿．为了提高神经网络的拟合精度，设计了基于多种群协同进化算法和反向传播算法的神经网络优化方法，该优化方法能够同时优化网络的权值、阈值和结构，提高神经网络的泛化能力和拟合精度．在实际3自由度绳索牵引并联机器人上进行了位置误差补偿实验，结果表明补偿后的位置误差均值从6．64 mm下降到1．08 mm，轨迹误差均值从7．5 mm下降到1．6 mm，末端位置的精度得到了显著提高．

• 面向铣削任务的工业机器人刚度位姿优化

  陈钦韬, 殷参, 张加波, 乐毅, 周莹皓, 文科, 杨继之, 白效鹏

  为提高机器人刚度性能，减小铣削加工误差，对搭载铣削执行器的6自由度机器人进行刚度优化．首先，运用虚功原理建立机器人刚度映射模型；其次，设计辨识实验获取关节刚度；再次，以铣削力椭圆平面的各向同性度为优化指标，运用遗传算法对机器人优化位姿进行求解；最后，对比分析机器人位姿优化前后的整体刚度，并进行机器人铣削试验验证位姿优化的有效性，铣削平面度可提升45%．该优化方法可指导串联型工业机器人对大型航天器舱体的铣削加工任务，提高加工质量．

• 一种基于声信号的手术机器人骨切削深度控制方法

  夏光明, 代煜, 张建勋, 贾宾

  为了实时估计并控制手术机器人的骨切削深度，首先建立了基于声信号的切削深度估计模型，分析了模型参数的影响因素，并通过验证实验降低不同切削过程和运动参数对模型参数的影响．然后对手术机器人的切削深度控制原理和稳定性进行了分析，提出了一种基于声信号的手术机器人骨切削深度控制方法．利用快速傅里叶变换从切削声中提取刀具旋转频率的一次谐波幅度作为反馈量，根据机器人运动参数在线调整模型参数来估计骨切削深度，进而通过PID （比例-积分-微分）控制器控制手术机器人的骨切削深度．最后，对所提方法进行了实验验证，对估计精度和安全量程进行了实验评估，并与其他方法进行了对比．结果表明，形变和骨密度的变化对所提方法的切削深度控制的影响较小；对于不同固定方式下的猪脊骨，切削深度能保持在可接受的水平；在0~0．5 mm的铣削深度范围内，信号的线性度较高，独立线性率为8．812% F．S．（全量程）．所提方法可用于提高手术机器人的骨切削操作的安全性．

• 主动变形材料机器人技术研究进展

  苏笑宇, 潘泉, 王宏伟, 任仲靖

  针对近年来国内外机器人与主动变形材料交叉领域的一些研究进展进行介绍．按照机器人的变形能力依次分3个部分总结了伸缩型、弯折型和扭转型主动变形材料机器人，并介绍了3D打印、掺杂、微制造等具有代表性的增材制造技术在主动变形材料机器人中的应用．最后，给出了该领域有待解决的研究难点和未来发展趋势预测．