机器人杂志

机器人杂志2021年第6期

• 一种多层次数据融合的SLAM定位算法

  章弘凯, 陈年生, 代作晓, 范光宇

  针对2D激光SLAM（同步定位和地图构建）机器人导航中激光点云匹配计算量大、轨迹闭合效果差、位姿累积误差大、以及各环节传感器观测数据利用不充分等问题，提出一种基于多层次传感器数据融合的实时定位与建图方法——Multilevel-SLAM．首先，在数据预处理方面，利用IMU（惯性测量单元）数据预积分结果为激光点云配准提供坐标转换依据．对激光点云进行特征采样，降低点云匹配计算量．其次，通过无迹卡尔曼滤波算法融合IMU、LiDAR （激光雷达）观测量得到机器人位姿，来提高闭环检测效果．最后，将激光点云配准约束、闭环约束、IMU预积分约束加入到SLAM算法的后端优化中，对全局地图位姿节点估计提供约束配准，实现多层次的数据融合．在实验中利用LiDAR-IMU公开数据集对Karto-SLAM、Cartographer和Multilevel-SLAM算法进行性能测试对比．Multilevel-SLAM算法的定位精度始终保持在5 cm以内，而对比方法则存在不同程度的定位偏移．实验结果表明，在没有显著增加计算量的前提下，Multilevel-SLAM算法有效提高了闭环处的轨迹闭合效果，具有更低的定位误差．

• 面向制造环境的工业机器人节能轨迹规划

  赵俊宇, 张平, 李方, 陈昕叶

  在制造环境中，工业机器人节能轨迹规划的实际应用存在2个问题：机器人动力学参数未知；现有节能轨迹规划方法无法保证结果的稳定性．因此，本文提出了面向制造环境的工业机器人节能轨迹规划，包括基于平行BP（backpropagation）神经网络的近似动力学辨识和基于凸优化（CO）的节能轨迹求解法．以UR3机器人为实验平台，近似动力学模型的均方根误差（RMSE）可收敛至2.05×10-3 N.m；且凸优化轨迹规划的求解稳定性优于现有的参数化轨迹规划．实验结果表明：本文提出的节能轨迹规划方案，能应对制造环境中机器人动力学参数未知的情况，同时保证轨迹规划结果的稳定性，因此更适用于制造环境中的工业机器人．

• 柔性双手康复外骨骼抛接任务的过程协同控制

  孟巧玲, 陈立宇, 姜明鹏, 沈志家, 聂志洋, 刘晓瑾, 谢巧莲, 喻洪流

  针对柔性双手外骨骼在抛接任务中响应速度慢等问题，提出了一种双手抛接物体过程的能量传递模型以及具有位置前馈的力/位协同混合控制系统．首先基于双手接抛物体过程的运动特征，建立抛接物—人手碰撞能量传递模型；利用能量守恒定律与虚功原理建立柔性外骨骼手—人手耦合数学模型，推导出抛接碰撞模型中的绳索伸长量，以绳索伸长量作为前馈信息进行位置补偿；抛接过程初段对驱动绳索采用位置控制，当绳索伸长量保持不变且绳索拉力值持续增大时系统转换为力交互控制；最后通过柔性双手外骨骼抛接抓握实物的位置控制实验和力交互实验验证了基于绳索伸长量的位置前馈控制的动态响应性和有效性以及后段力交互控制下指尖接触力的稳定性．实验结果表明，柔性双手康复外骨骼可以辅助用户实现对抛接物的快速抓握，满足抛接任务对外骨骼手的协同控制要求．

• 深海AUV无动力下潜运动特性研究

  高伟, 李天辰, 谷海涛, 姜志斌, 孙原

  为探究深海AUV无动力下潜过程中的运动特性，提高下潜运动预报精度，本文考虑海流和浮力变化影响，基于AUV空间运动方程，建立了其稳态无动力下潜运动的仿真方法．通过改变控制输入参数，揭示了AUV各状态量与净负浮力、重心位置、舵角及海洋环境之间的变化规律．结果表明：海流和浮力变化会使AUV的运动状态作出相应调整，以适应流动情况变化，但运动姿态始终是稳定的；无动力螺旋下潜可大大改善AUV在水平面内的漂移距离；相同环境干扰下，AUV下潜速度越快，耗时越短，其漂移距离越小．

• 基于改进弹簧模型的移动机器人柔顺跟随行人方法

  姚瀚晨, 彭建伟, 戴厚德, 林名强

  针对人机共融环境下的跟随型自动搬运机器人，为了解决被跟随目标突发性运动造成机器人失灵的难题，提出了一种基于改进弹簧模型的移动机器人柔顺跟随方法．给被跟随目标的腿部和障碍物添加虚拟弹簧，完成了对机器人和被跟随目标之间相对位姿的闭环控制，从而实现躲避障碍物和自然交互任务．特别地，通过给虚拟弹簧添加动态阻尼系数，实现了移动机器人跟随目标运动的实时性和柔顺性．通过Simulink仿真对比移动机器人对被跟随目标的柔顺跟随轨迹，实现对改进弹簧模型的参数优化．采用自主开发的两轮差速移动机器人和Vicon光学运动捕捉系统，在被跟随目标做无规律、长距离运动的条件下，验证了该移动机器人跟随轨迹的平滑性和柔顺性．

• 含被动高副的冗余驱动并联机器人优化设计

  温海营, 戴敏, 张慧, 张志胜, 于继勇

  针对具有平移和旋转混合自由度的冗余驱动并联机器人，提出一种优化设计方法．首先，介绍了仿人类口颌设计的并联机器人，由6-PUS（prismatic-universal-spherical）并联机构模拟6条主要咀嚼肌，2个被动高副模拟下颌关节．针对机构含被动高副的特点，利用末端执行器上的3点描述位姿，建立其量纲一致的雅可比矩阵．基于机器人结构和尺寸对速度误差传递性能的影响的分析，给出了该冗余驱动并联机器人的优化方法．设置性能参数对该冗余驱动并联机器人进行了尺寸优化设计，与优化前机器人机构相比全局误差标准差下降了39.83%．结果表明所提出的优化设计方法提高了并联机构的速度传递性能，并可以扩展用于其他机器人的优化设计．

• 基于多传感融合的自主发育网络场景识别方法

  余慧瑾, 方勇纯, 韦知辛

  现有的场景识别方法准确率低，适应能力不强．为此，将自主发育神经网络应用于机器人场景识别任务，提出了2种将自主发育网络与多传感器融合技术相结合的场景识别方法，即基于加权贝叶斯融合的机器人场景识别方法，以及基于同一自主发育网络架构数据融合的场景识别方法，分别在决策层以及数据层对多传感器信息进行融合，提高了场景识别的准确度，而自主发育网络则提升了识别方法针对各种复杂场景的适应能力．对于所提出的场景识别方法进行了实验测试与分析，证实了其有效性及实用性．此外，由于在同一网络架构下进行数据融合可更高效地利用数据，因此这种方法在场景识别的准确度方面具有更为优越的性能．

• 动态环境下的视觉SLAM研究评述

  王柯赛, 姚锡凡, 黄宇, 刘敏, 陆玉前

  针对动态环境下的视觉SLAM（同时定位与地图构建）系统，首先分析了环境中动态目标对经典视觉SLAM系统的危害性，并以一种新颖的方式将当前动态视觉SLAM系统分为基于相机自身运动的系统和不依赖于相机自身运动的系统两大类．随后分析总结了当前动态环境下视觉SLAM的研究进展．最后对动态环境下的视觉SLAM处理手段及未来发展趋势进行讨论与展望．

• 面向动态物体场景的视觉SLAM综述

  高兴波, 史旭华, 葛群峰, 陈奎烨

  针对当前机器人导航、自动驾驶等领域中的热点问题——面向动态物体场景的视觉SLAM（同步定位与地图构建）——进行了综述．根据动态SLAM在定位与建图时对动态物体的不同处理方式，划分了3个研究方向：动态鲁棒性SLAM与静态背景重建、非刚性动态物体跟踪重建、以及移动物体跟踪与重建．对这3个研究方向分别进行了综述，并重点介绍结合了深度学习的动态SLAM方法．最后，展望了动态SLAM的未来发展方向．

• 田间除草机器人研究进展综述

  傅雷扬, 李绍稳, 张乐, 孟余耀

  聚焦田间杂草清除领域，首先介绍了除草机器人的产生背景及其应用价值，并回顾了除草机器人国内外发展现状．然后，重点分析了除草机器人的结构组成及相关技术，并展望了除草机器人的未来发展趋势．最后，作了总结．