机器人杂志

机器人杂志2021年第3期

• 基于非对称高斯函数的个人/群组动态舒适空间建模

  周磊, 张森, 赵英利, 胡郑希, 刘景泰

  设计了一种基于非对称高斯函数的动态舒适空间模型．首先利用人的运动状态信息来确定不同速度下的个人舒适空间的形状．然后考虑到性别、年龄等个人社会属性特征的差异性，提出一个可扩展的模糊推理框架来定义个性化的舒适空间大小．在对单人的舒适空间建模的基础上，提出了共同关注区域的概念并通过最小覆盖圆算法对行人群组进行分析，构建群组的舒适空间．在实验部分对所提出动态舒适空间模型进行了定性与定量的分析与评价，验证了该模型的合理性．

• 一种面向狭小、拥挤情景的服务机器人运动规划方法

  张森, 周磊, 刘梦, 胡郑希, 赵英利, 刘景泰

  针对多维度服务情景中狭小、拥挤的一类情景，设计了一种能够兼顾移动机器人的移动效率和机器人在移动过程中对周围人的舒适感受所造成的影响的运动规划方法．该方法通过紧张空间来刻画人的舒适需求，然后通过人的紧张空间在机器人运动的影响下所产生的形变程度对机器人的运动与人的舒适感受之间的关系进行建模，进而以机器人的移动效率和人的舒适感受为优化目标实现运动规划．最后，通过仿真研究验证了本文方法的有效性，进而通过狭小、拥挤服务情景的研究体现了基于多维度服务情景的服务机器人研究框架的适用性．

• 一种基于谐振与抗谐振特性的柔性关节参数辨识方法

  李英立, 侯澈, 罗阳, 赵忆文, 赵新刚

  为了获取柔性关节精确的物理参数，提出了一种基于系统谐振与抗谐振特性的参数辨识方法．首先建立柔性关节的数学模型，利用该模型推导柔性关节的谐振、抗谐振频率特性与待辨识参数的数学关系，然后基于此关系建立误差回归模型，设计实验采集不同负载条件下的输入与输出数据，计算得到系统的谐振、抗谐振频率及幅值，代入回归模型并基于最小二乘法求解参数．最后，通过仿真与实验将本文方法与一般的频域特性拟合方法进行对比，结果表明在含有噪声的情况下本文方法将参数辨识平均精度从75.34%提高到90.35%，方差从25.34%降低到8.07%，验证了所提方法的可行性与有效性．

• 眼科手术器械操作黏弹性组织的导纳控制方法

  郑昱, 贺昌岩, 林闯, 韩少峰, 广晨汉, 陈子路, 杨洋

  基于广义Maxwell黏弹性模型建立手术器械与眼组织之间的黏弹性接触模型，并通过力松弛实验对接触模型的参数进行辨识．进而在此基础上提出一种导纳控制方法，通过控制手术器械的位移实现对接触力的控制．该方法将传统的导纳控制器替换为比例－积分（PI）控制器，从而将黏弹性接触模型中的理想微分环节替换为1阶微分环节．替换后，在低频段，尤其是频率趋近于0时的幅频响应可得到提升并保持稳定，从而避免幅频响应过低导致的接触力衰减．通过对离体猪眼球进行力控制实验验证了该控制方法的有效性．实验结果表明，阶跃力平均误差约为4.6%，响应时间约为2.5 s，无明显超调，并可实现一定频率的正弦力输出．阶跃力输出精度可以满足机器人辅助眼科手术的要求．

• 基于主方向傅里叶变换算子的2D/3D分级配准

  杨克克, 罗阳, 赵忆文, 赵新刚, 宋国立

  目前的2D/3D医学图像配准方法的配准精度和效率存在矛盾，配准捕获范围小．为解决这些问题，本文提出一种基于主方向傅里叶变换算子的分级配准方法．首先，提出平面旋转平移不变性算子——主方向傅里叶变换算子．然后，提出基于主方向傅里叶变换算子的模板匹配初始化方法，可避免接近真值的初值需求，并显著扩大了捕获范围．最后，提出基于主方向傅里叶变换算子的分级配准框架，将配准搜索空间从O（n6）降到O（n2），在保证配准精度的情况下大幅提高配准效率．在配准实验中，本文方法的配准精度为0.68 mm ±0.28 mm，配准时间为16.87 s ±3.77 s，捕获范围大于100 mm．因此，所提出的基于主方向傅里叶变换算子的分级配准方法可以满足2D/3D图像配准在相关临床应用中精度、效率及捕获范围的需求．

• RAOS：3维机器人主动嗅觉仿真平台

  井涛, 杨子祯, 孟庆浩

  为便于开展气味源定位或烟羽建图等研究，设计了3维机器人主动嗅觉仿真平台RAOS（robot activeolfaction simulator）． RAOS围绕旋翼无人机主动嗅觉研究进行设计，同时支持地面移动机器人仿真，主要包括3维场景、机器人、风场、气味扩散及传感器仿真5部分．通过CAD（computer aided design）软件生成3维场景并导入仿真平台；采用CFD（computational fluid dynamics）软件仿真环境自由风场；基于旋翼无人机气动嗅觉效应模型仿真尾流诱导风场，并利用全连接网络近似计算诱导风场以提高计算实时性；结合CFD环境风场和烟丝扩散模型对气味扩散过程进行仿真；同时提出了简化的TDLAS（tunable diode laser absorption spectroscopy）传感器仿真模型．为验证仿真环境与真实环境中气味扩散过程的一致性，提出利用弗雷歇距离和推土机距离2个指标分别定量地描述气味扩散轮廓和气味浓度分布的相似性，结合KS（Kolmogorov-Smirnov）检验进行一致性判定．通过与实物实验及风洞数据对比，验证了RAOS平台仿真烟羽与真实环境烟羽扩散分布的一致性，可为3维环境主动嗅觉研究提供一致、可重复的仿真环境．

• 基于SE-CNN的服务机器人运动系统云端故障诊断方法

  缪昭明, 袁宪锋, 张晖, 颜亮, 周风余, 郭仁和, 汪佳宇

  研究并设计了一种基于服务机器人云平台的故障诊断系统．传统算法只关注服务机器人某一时刻的状态数据，所提取的特征信息有限，因而难以较好地完成故障诊断任务．在这种背景下，提出了基于时间序列关联特征的故障诊断方法．首先，对采集的服务机器人数据进行归一化和后向差分预处理，消除数据量纲并获取数据变化特征；其次，利用滑动窗口来生成时间序列样本，保证每个样本包含足够的特征信息；然后，应用卷积神经网络（CNN）挖掘时间序列的关联特征，并在网络中引入通道注意力网络（squeeze-and-excitation network，SENet），构建了一种SE-CNN模型．该模型能够自适应调整特征通道的重要程度，聚焦于更有效的特征通道，从而提高了诊断精度．对比实验与实际场景下的综合测试证明了本文提出的故障自诊断方法的可行性和有效性．

• 面向柔软样品的AFM纳米操作可视化系统

  王超, 武毅男, 方勇纯, 樊志, 刘存桓

  在对细胞、生物大分子等柔软样品进行纳米操作时，原子力显微镜（atomic force microscope，AFM）面临缺乏实时视觉反馈的问题．为此，搭建了一套面向柔软样品的AFM纳米操作可视化系统．具体而言，首先建立了AFM形貌图像坐标系到虚拟场景坐标系之间的映射关系，从而得到虚拟场景中样品的顶点信息，进而通过3维图形引擎渲染样品的虚拟形貌．在此基础上，提出了一种基于接触力学理论的样品形变估计和仿真方法，对探针按压导致的样品形变进行了虚拟视觉反馈，从而使得刻画的虚拟形貌能够和样品的真实形貌保持一致，并准确地还原按压过程中样品表面的形貌变化．仿真和实验结果表明，所设计的纳米操作可视化系统能够在虚拟场景中实时呈现AFM纳米操作过程．

• 基于互补滤波和粒子滤波融合的球形机器人姿态解算

  余晨雨, 章政, 黄卫华, 李宇峰, 郭庆瑞

  针对球形机器人在运动控制中难以实时、准确地获取机器人的位置和姿态估计精度的问题，提出了一种基于互补滤波和粒子滤波相融合的姿态解算算法．为了避免使用磁力计数据参与四元数计算时俯仰角和横滚角误差较大的问题，使用陀螺仪和磁力计互补滤波算法单独对球形机器人的偏航角进行解算，同时，通过信息熵评估磁力计噪声大小，动态调整磁力计在互补滤波中的权值．实验结果表明，在外部磁场干扰实验中，偏航角误差在3°以内，在球形机器人动态和静态实验中，偏航角误差在0.3°左右，俯仰角和横滚角误差能够控制在0.1°之内．因此，该算法能够保证球形机器人姿态解算的实时性，增强准确性和和抗干扰能力，有效提高球形机器人运动控制的精度．

• 基于难例挖掘和自适应时间正则化的视觉目标跟踪算法

  黄月平, 李小锋, 齐乃新, 卢瑞涛, 张胜修

  针对复杂情况下视觉目标跟踪算法性能严重退化的问题，提出一种基于难例挖掘和自适应时间正则化的视觉目标跟踪算法．首先，该算法在Staple算法基础上，深度挖掘困难负样本用于相关滤波器训练，提高了跟踪算法的抗干扰能力；其次，加入自适应时间正则化约束，根据目标响应图的变化情况，自适应确定时间正则化系数及模型更新策略，增强了跟踪算法的鉴别能力．在数据集OTB-2015、TC-128和UAV123上的实验结果表明，该算法能够有效应对复杂情况下跟踪性能退化的问题，且运行速度超过30帧/秒，满足实时性需求，综合性能优于对比算法．

• 基于场景深度估计的自然光照水下图像增强方法

  王丹, 张子玉, 赵金宝, 梁文峰, 杨谢柳, 范慧杰, 唐延东

  针对水下图像模糊、对比度低且色彩失真的问题，结合修正的水下成像模型，提出一种基于场景深度估计的自然光照水下图像增强方法．首先，依据自然光照条件下水下图像场景亮度与场景深度总体成正比的先验理论，对图像的亮度信息进行最小值滤波和软抠图处理以实现场景深度估计；然后，结合暗通道先验知识和场景深度信息进行离散像素点的后向散射分量估计，根据修正的水下成像模型来拟合和去除后向散射；最后，采用基于色适应的颜色校正方法对直接分量进行色偏校正，利用线性拉伸方法来提升图像的亮度和对比度．水下多场景条件下的实验结果表明，本文方法可有效地去除后向散射引起的雾样模糊，提高图像对比度并校正颜色偏差．

• 基于单目相机的视觉重定位方法综述

  陈宗海, 裴浩渊, 王纪凯, 戴德云

  综述了单目相机重定位的研究现状和最新进展，介绍了该领域的关键方法．不同于现有对重定位方法进行纵向分类的方式，本文提出了一种从场景模型构建、环境信息匹配、相机位姿解算3个方面进行展开的直观、统一的横向视觉定位结构体系，在该体系中基于深度学习以及基于几何结构的视觉重定位方法首次被统一地对比阐述．基于深入的性能分析讨论和可视化结果，指出了目前该领域导致性能瓶颈的因素和仍然存在的挑战，并对当前性能优越的相机位姿估计方法进行了分析和总结．最后展望了未来相机重定位估计方法的发展动向．