机器人杂志

机器人杂志2022年第6期

• 基于行星齿轮机构的牵引式欠驱动机械手设计

  蔡军, 左俊伟, 顾逸霏, 马鑫

  为实现夹持力调节和目标物体抓取功能，设计了一种基于行星齿轮机构的牵引式欠驱动机械手。该机械手采用不固定输出轴和内齿圈的行星齿轮机构来分配2种互斥的运动，一种用于手指的转动，实现机械手的夹持功能；另一种用于皮带轮的无限转动，通过皮带实现目标物体的拉入功能。相对于腱绳式和连杆式欠驱动机械手，这种单输入双输出形式不仅能够保持机械手的自适应性，同时还能降低机械手的耦合程度。根据行星齿轮机构的这种传动特点，设计了阻力矩调节机构，实现了机械手的夹持力调节功能。夹持力测试实验表明，在阻力矩调节机构的作用下，机械手能有效调节夹持力。抓取实验结果表明，机械手能够实现对刚性和柔性目标物体的抓取操作，验证了机械手设计的有效性。

• 电动力液压驱动四足双臂机器人的设计与实现

  刘松, 柴汇, 李贻斌, 宋锐, 李剑, 荣学文, 付鹏, 刘建利, 侯晋冕, 胡加银

  针对定基座机器人在复杂环境下作业能力不足的问题，研制出电动力液压四足双臂机器人，将浮动基座与双臂系统的优势有机结合，能够代替人员完成复杂环境下应急处置、工程作业等任务。详细阐述了四足双臂机器人的机械结构、机载电液动力系统、分布式控制系统以及仿真与操作训练平台的设计与实现。提出基于全身虚拟模型的足底力分配方法与足臂协调运动规划方法，实现了躯干浮动基座与双臂系统的联动，大大提升了机器人的作业能力和效率。通过搭建的仿真与操作训练平台完成单臂作业以及双臂协同作业的仿真，验证了所提出控制方法的有效性，并对机器人操作员进行操作训练。在实际样机实验中，测试了单臂抓取以及双臂协同抓取的能力，证明了四足双臂机器人能够满足复杂环境下移动作业的需求。

• 可在线配置结构的多源融合位姿估计框架

  武东杰, 仲训昱, 崔晓珍, 彭侠夫, 杨功流

  针对组合导航系统中，融合算法结构难以在线进行配置的问题，基于误差状态扩展卡尔曼滤波器（ES-EKF）和标准观测模型库，提出一种不依赖特定平台、可在线配置结构的多源融合估计框架，赋予组合导航系统动态变更信息源融合方式的能力。对多种导航子系统的输出信息进行分类和建模，建立一个不依赖于特定传感器和平台的标准观测模型库。设计一种算法结构的表示规则，将算法结构映射为融合模式，实现信息源和变量的灵活选择。基于该融合估计框架，设计并实现了一个惯性测量单元/磁力计/编码器/相机/激光雷达组合导航系统。最后，在野外数据集上进行了多种测试，该系统能够通过人工静态地或自主动态地变更融合模式灵活配置融合算法的结构，且定位精度优于robot-localization算法。试验结果表明，该框架可有效地实现多源融合估计、可在线地配置融合结构。

• 基于在线光度标定的半直接视觉SLAM算法

  顾恺琦, 刘晓平, 王刚, 黎星华

  为解决视觉SLAM（同时定位与地图创建）算法依赖图像亮度而对光照变化场景敏感的问题，提出一种基于在线光度标定的半直接视觉SLAM算法。首先，根据相机成像原理，提出基于光度标定的帧间位姿估计方法，在求解位姿的同时对原始的输入图像进行光度校正。其次，在特征追踪环节采取最近共视关键帧匹配策略，以提升特征点匹配效率。最后，对后端重投影迭代优化策略进行改进，降低光照变化对视觉SLAM算法的精度和鲁棒性的影响。在TUM、EuRoC数据集上的实验结果表明，本算法的轨迹估计精度优于LSD-SLAM和SVO 2.0算法，尤其是在中等难度、高难度的数据集序列上。在真实环境测试中，通过对比本算法与激光方法的轨迹估计结果，证明本算法有效提高了传统视觉SLAM方法在光照不均匀场景下的定位精度与鲁棒性。

• 一种多模型融合的仿猎豹四足机器人复杂运动控制方法

  张秀丽, 王琪, 黄森威, 江磊

  针对具有2自由度主动脊柱关节的仿猎豹四足机器人，基于任务分解思想和生物神经系统机理，提出多模型融合的控制方法。该方法以弹簧负载倒立摆模型实现单腿跳跃控制，通过中枢模式发生器（CPG）实现4条腿之间以及脊柱—腿之间的协调控制，利用虚拟模型控制实现机器人与环境交互，采用基于CPG输出的有限状态机来融合3个控制模型，构建仿猎豹四足机器人的多模型分层运动控制器。参考猎豹脊柱运动特征，设计了机器人脊柱关节运动模式，给出脊柱与腿的协调控制策略。最后，在Webots仿真环境中搭建了仿猎豹四足机器人虚拟样机，实现了不同步态下的脊柱—腿的协调控制、在崎岖地形上稳定奔跑，以及平滑的对角—疾驰—对角步态转换，仿真结果验证了所提出的多模型融合的四足机器人运动控制方法的有效性。

• 基于CT图像的肺穿刺术路径规划系统

  冯如然, 唐翎, 俄木依欣, 张茜倩, 张劲, 仲建全, 何凌

  为了解决传统肺穿刺手术路径规划方法手术并发症风险大、受医师熟练度影响大、无法量化分析手术路径风险等特有的临床问题，设计了一套肺穿刺术最优路径规划方案。首先，基于胸部CT图像对胸部重要器官进行图像分割。然后，将手术风险量化为3个约束性条件和6个目标性条件，用于衡量手术路径的优劣与风险。3个约束性条件为穿刺深度、重要器官避障、入刺角度，6个目标性条件为胸壁厚度、肺内穿刺长度、重要器官之间的距离、路径延长线与重要器官之间的距离、皮肤入刺角、胸膜入刺角。最后，设计自适应凝聚层次聚类算法将路径聚类为“簇”，并利用多目标优化方案对聚类中心点进行量化分析，确定肺穿刺最优路径。实验结果表明，自动规划得到的最优路径经医生确认均符合手术要求，且计算得到的最优路径在医生排序中排名均为前3，证明了本文路径规划方法的合理性与有效性，满足肺穿刺手术路径规划临床需求，可以为医生提供有效的3维可视化穿刺路径指导。

• 基于快速扩展随机树—贪婪边界搜索的多机器人协同空间探索方法

  宁宇铭, 李团结, 姚聪, 邵继升

  传统多机协同探索算法存在鲁棒性较差、探索效率较低、环境障碍感知不完全等问题，为此本文提出一种基于快速扩展随机树－贪婪边界搜索（RRT-GFE）的多机器人协同空间探索方法。首先，采用Thiessen多边形对环境进行建模与划分，利用RRT边界探索算法依次对所有Thiessen多边形进行探索；其次，在RRT边界探索算法的基础上，引入GFE算法进行细化搜索，并提取连续边界域的形心作为探索目标点；再次，利用划分所形成的多边形区域以及所提取出的边界点，采用基于改进市场机制的多机器人任务分配方法对探索目标点进行动态分配，并在探索过程中采用地图融合算法进行局部地图的实时融合；最后，基于机器人操作系统（ROS）搭建仿真/样机测试平台并进行了一系列实验验证。结果表明，无论在仿真还是样机实验中，基于RRT-GFE的多机器人协同探索算法均能取得更加省时高效的探索效果。

• 倾听脑神经细胞声音的机器人——面向脑科学研究的机器人化膜片钳系统

  赵启立, 邱金禹, 李明慧, 孙明竹, 孙涛, 谌辉, 赵新

  首先，根据操作对象的升级和操作方式改进过程对机器人化膜片钳的发展历程进行综述。进而，聚焦当前人类脑科学研究亟需的、面向清醒非人灵长类动物脑科学研究的机器人化膜片钳系统，对该系统在操作环境显示、操作工具与目标定位、操作工具的运动控制、测量信号的处理和操作对象固定5个方面存在的挑战及其潜在解决方法分别进行讨论分析。最后，在总结当前工作的基础上对今后面向脑科学研究的机器人化膜片钳的发展方向进行展望。

• 微纳米机器人的最新研究进展综述

  李梦月, 杨佳, 焦念东, 王越超, 刘连庆

  对2017~2021年微纳米机器人（尺寸介于1 nm~1 mm之间）的最新研究进展进行了综述。首先从物理驱动、化学驱动、生物驱动和混合驱动4个角度对微纳米机器人在微纳米操作、集群控制、靶向治疗等方面的最新研究成果进行总结。然后从制备、定位和成像、功能化、集群等方面分析了微纳米机器人应用中面临的挑战。最后对微纳米机器人的研究进程进行总结，对未来发展趋势进行展望。

• 上肢康复外骨骼智能控制综述

  程龙, 夏修泽

  外骨骼的应用有望缓解我国康复医疗资源面临着的巨大压力。康复外骨骼应用的关键在于保证康复体验的安全、有效和舒适，而智能控制技术是回应这些需求的有效手段。本文基于智能控制系统的分层递阶结构，总结了近年来上肢康复外骨骼智能控制系统中各层级控制器的研究现状。主要包括上层控制器中的运动意图识别、中层控制器中的运动轨迹规划以及底层控制器中的执行器控制。最后，对上肢外骨骼控制系统中存在的问题和发展趋势进行了总结。