机器人杂志

机器人杂志2023年第1期

• 空间机器人抓捕目标后基于任务相容性的消旋策略

  周逸群, 罗建军, 王明明

  针对双臂空间机器人抓捕自旋目标后的镇定操作, 在考虑机器人系统输入约束的条件下, 提出了一种基于任务相容性的消旋规划与控制方法。首先, 给出空间机器人抓捕目标后的组合系统的动力学模型, 作为规划与控制的基础。然后, 根据动力学可操作度和任务相容性设计了目标的快速消旋策略, 其期望加速度的方向和大小分别取作速度的反方向和机器人系统输入约束允许的最大值。最后, 基于所推导的运动学和动力学模型, 通过对目标和机械臂末端分别建立柔顺度等式, 提出了一种跟踪期望运动轨迹同时对末端接触力进行调节的柔顺控制方法。通过双臂7自由度空间机器人消除目标自旋运动的仿真结果, 验证了所提方法的有效性。

• 动态场景下基于自适应语义分割的RGB-D SLAM算法

  王梦瑶, 宋薇

  目前较为成熟的视觉SLAM算法在应用于动态场景时, 往往会因动态对象干扰而导致系统所估计的位姿误差急剧增大甚至算法失效。为解决上述问题, 本文提出一种适用于室内动态场景的视觉SLAM算法, 根据当前帧中特征点的运动等级信息自适应判断当前帧是否需要进行语义分割, 进而实现语义信息的跨帧检测; 根据语义分割网络提供的先验信息以及该对象在先前场景中的运动状态, 为每个特征点分配运动等级, 将其归类为静态点、可移静态点或动态点。选取合适的特征点进行位姿的初估计, 再根据加权静态约束的结果对位姿进行二次优化。最后为验证本文算法的有效性, 在TUM RGB-D动态场景数据集上进行实验, 并与ORB-SLAM2算法及其他处理动态场景的SLAM算法进行对比, 结果表明本文算法在大部分数据集上表现良好, 相较改进前的ORB-SLAM算法, 本文算法在室内动态场景中的定位精度可提升90.57%。

• 基于刚软耦合模型和粒子群优化的手术机器人骨钻削力控制

  夏光明, 姜子丰, 代煜, 王景港, 雪原, 张建勋

  脊柱椎体的多层复合结构和易热损伤特性要求手术机器人在对椎弓根进行骨钻孔时需精确控制其轴向钻削力。然而人的个体差异和脊柱-软组织构成的刚软耦合结构会使得通用型力控制器的控制精度不足, 手术安全性降低。本文旨在提高轴向钻削力控制的精度。首先建立了基于质量、弹簧和Maxwell黏弹性单元的脊柱-软组织系统的刚软耦合模型。然后在离体羊脊柱上进行了应力松弛实验, 并基于实测力数据对模型参数进行了标定。采用PID(比例-积分-微分)控制器来调整骨钻的轴向进给速度, 并基于标定后的刚软耦合模型的传递函数, 使用动态权重的标准粒子群算法整定控制器参数。最后, 仿真证明闭环控制系统具有较好的动态性能和鲁棒性。离体羊脊柱骨钻孔力控制实验结果表明, 轴向钻削力的阶跃力响应稳态误差小于0.15N, 相对力控制误差小于3%, 且无明显超调; 正弦力响应幅度在频率为3.49rad/s时衰减到-3dB, 闭环控制系统具有较好的控制带宽。所提方法的力控制精度和控制带宽能够满足手术机器人执行骨钻削时的力跟踪要求, 提高了机器人自动骨钻削过程的安全性。

• 基于深度神经网络的多指灵巧手抓取手势优化

  何浩源, 尚伟伟, 张飞, 丛爽

  基于深度神经网络模型, 提出了一种适用于多指灵巧手的抓取手势优化方法。首先, 在仿真环境下构建了一个抓取数据集, 并在此基础上训练了一个卷积神经网络, 依据目标物体单目视觉信息和多指灵巧手抓取位形来预测抓取质量函数, 由此可以将多指灵巧手的抓取规划问题转化为使抓取质量最大化的优化问题, 进一步, 基于深度神经网络中的反向传播和梯度上升算法实现多指灵巧手抓取手势的迭代与优化。在仿真环境中, 比较该网络和仿真平台对同一抓取位形的抓取质量评估结果, 再利用所提出的优化方法对随机搜索到的初始手势进行优化, 比较优化前后手势的力封闭指标。最后, 在实际机器人平台上验证本文方法的优化效果, 结果表明, 本文方法对未知物体的抓取成功率在80%以上, 对于失败的抓取, 优化后成功的比例达到90%。

• 基于自适应干扰估测器的协作机器人关节速度波动抑制方法

  王冲冲, 杨桂林, 陈庆盈, 辛强, 孙贤备, 王尉军

  针对协作机器人对高载荷自重比和高精度速度控制的需求, 设计了基于双定子永磁同步电机和谐波减速器的关节模块, 利用双定子结构提升了电机的转矩密度。为了提高关节速度控制精度, 将摩擦等低频非线性因素、电机转矩波动和谐波减速器传递误差对关节速度波动的影响等效为关节系统的输入力矩干扰, 并对其进行补偿以抑制关节速度波动。为提高干扰估测精度, 提出一种基于双干扰估测器与自适应算法的方法。双定子电机性能测试结果表明, 相较于单定子结构, 本文的双定子电机转矩密度提升11%。关节速度控制实验表明, 与单纯的比例-积分速度控制器相比, 采用本文方法, 关节的低速稳态波动误差的均方根减小约40%~60%, 中、高速稳态波动误差的均方根减小约30%~40%, 速度控制精度提升。

• 基于模型预测-中枢模式发生器的六足机器人轨迹跟踪控制

  严浙平, 杨皓宇, 张伟, 宫庆硕, 林凡太, 张雨

  为了模仿动物卓越的运动能力和环境适应能力, 提出了六足仿生机器人的轨迹跟踪控制方法。首先建立了机器人的运动学模型, 接着通过转向参数将机器人的速度和角速度与中枢模式发生器(CPG)参数结合起来, 设计了转换函数。然后通过转换函数将模型预测控制器和CPG网络结合起来, 提出了基于CPG的模型预测控制器(MPC-CPG), 并证明了其稳定性。最后对机器人跟踪圆周轨迹和直线轨迹进行了仿真和实验。实验表明, 在有初始误差的条件下, 机器人在MPC-CPG控制器的作用下能够快速地消除位置误差和航向角误差, 跟踪上参考轨迹。轨迹跟踪的位置误差始终保持在-0.1~0.1m, 航向角误差保持在-27°~20°。在MPC-CPG控制器的作用下, 机器人不仅具有较高的轨迹跟踪精度, 同时还表现出良好的运动平滑性和协调性, 进一步验证了所提出的MPC-CPG控制器的有效性。

• 基于重组优化的轮式移动机器人路径处理方法

  齐尧, 何滨兵, 潘世举, 穆巍炜, 章永进, 徐友春

  针对轮式移动机器人采集GNSS(全球卫星导航系统)路径过程中容易出现无效路段的问题, 提出了基于自适应分段重组的无效路径剔除方法和多目标优化的路径平滑方法。该方法首先按照航向将采集的GNSS路径划分为DRD(drive-reverse-drive)形式的路段组合, 通过设定剔除规则来剔除其中的无效路段, 并对剔除无效路段后的离散路段按照邻域路段长度进行第2次分段, 以实现有效路段快速重组。其次以重组后的路径点集为决策变量, 建立多目标优化函数、端点渐近约束和矩形区域约束, 转化为二次规划型进行最优化求解, 在保证路径平滑的同时减小与原有路径的位置差。实验结果表明, 该方法能够有效处理不同道路形态下采集的无效GNSS路径, 优化结果与重组路径平均位置偏差小于0.2m, 平均处理时间为8.8ms, 处理后的路径可用于无人车轨迹跟随。

• 基于性能驱动的船载稳定平台尺度参数优化设计

  田文杰, 吕东坡, 张相鹏

  为提升船载稳定平台的运动学性能, 针对3-UPS & S并联机构的尺度参数优化问题, 以机构的工作空间体积和全域力传递率为综合评价指标, 采用小生境遗传算法优化得到稳定平台的最佳几何构形。具体地, 采用数值法与解析法相结合的方式判断支链长度、关节转角、奇异位形等约束条件的生效情况, 求解出并联稳定平台的工作空间; 基于力雅可比矩阵逆矩阵的最小奇异值定义机构的局部力传递性能, 以工作空间内局部力传递率的平均值作为全域力传递性能评价指标; 以工作空间体积和全域力传递率的加权和为优化目标, 采用小生境自适应遗传算法完成优化求解, 获得最优尺度参数。与初始构形的性能对比分析表明, 优化构形在力传递性能方面有35%的提升, 具有更好的综合运动学性能。制作试验样机并完成相关实验, 验证了所提尺度参数优化方法的有效性。最后探讨了多目标优化过程中不同的权重系数取值对优化结果的作用规律, 发现选用均衡的权重可获得更佳的综合性能。

• 生命—机电系统融合的类生命机器人

  杨连超, 张闯, 王瑞乾, 张艺伟, 谭文君, 刘连庆

  类生命机器人是一种由生命系统与机电系统在分子、细胞、组织尺度有机融合而成的新型机器人, 具有能量转换效率高、续航时间长、小型化等潜在优点, 可为突破传统机器人在驱动、感知、智能等方面所面临的瓶颈提供新的思路。本文围绕类生命机器人的研究现状, 首先根据不同的生命材料(如心肌细胞、骨骼肌细胞、神经-肌肉、昆虫肌肉组织、微生物)对现有类生命机器人进行了系统性的归类与介绍。然后, 对类生命机器人常用的非生命材料(如聚二甲基硅氧烷(PDMS)、水凝胶)、控制方法(如电控制、光控制、化学控制、磁控制)及其应用场景(如微型机器人、芯片实验室、生物医学)进行了详细的讨论。最后, 对类生命机器人研究所面临的潜在挑战与可能的发展方向进行了分析与展望。

• 水下机器人在渔业中的应用现状与关键技术综述

  许裕良, 杜江辉, 雷泽宇, 蔡雨嫣, 叶章颖, 韩志英

  总结了2007~2021年水下机器人在渔业环境监测与水生动物行为监视、水生动物视觉识别与捕获、水生动物生存环境维护方面的应用现状, 综述了在渔业场景下应用的水下机器人的关键技术, 分析了水下机器人结构设计与外形优化技术、水下机器视觉与图像增强技术、水下运动规划和水下环境信息获取与传输技术等的研究现状与存在的问题。最后, 展望了专用于渔业场景的水下机器人在未来的研究方向。