机器人杂志

机器人杂志2023年第3期

• 基于变刚度驱动的下肢外骨骼

  朱杨辉, 吴青聪, 陈柏, 赵子越

  针对传统刚性驱动的外骨骼在复杂人机交互环境中柔顺性不足、无法保证人体安全等问题, 设计一种变刚度下肢外骨骼用于康复训练。提出了一种可重构的变刚度原理, 通过调整关节弹簧的预紧力来实现关节刚度的改变, 同时通过滑轮组的重构来增大外骨骼的刚度调整范围。基于所提出的可重构变刚度原理, 设计了用于驱动外骨骼主动关节的变刚度执行器, 并进一步设计了变刚度下肢外骨骼的机械结构。建立了外骨骼的理论刚度模型, 并对其刚度特性进行了仿真分析。搭建了变刚度下肢外骨骼的试验平台, 对样机的刚度特性进行了试验验证。结果表明, 试验得到的刚度曲线与理论模型吻合。基于变刚度驱动的扭矩-偏角特性, 提出一种无交互力传感器的外骨骼行走跟随控制方法, 并在不同速度下进行了行走跟随试验。试验结果表明, 外骨骼与人体的最大交互力矩为0.8243 N·m, 证明外骨骼可以跟随人体运动。

• 一种鲁棒的LiDAR-IMU联合标定方法

  王凌轩, 项志宇

  针对目前主流的LiDAR-IMU联合标定方法在遮挡较为严重或者缺乏大块平面的复杂环境下标定精度较低的问题, 提出了一种鲁棒的LiDAR-IMU联合标定方法。首先, 在匹配构建阶段引入了定位精度高、不易受遮挡等影响的线特征, 并同时构建线特征和面片匹配对来增强标定约束; 其次, 在迭代优化阶段设计了一种双阶段的优化方法, 并根据每轮迭代优化的几何残差设计了自适应损失权重, 使得迭代优化过程能很好地收敛, 并提高了标定方法的精度。利用自建的室内数据集和开源的室外数据集对该方法进行了测试, 结果表明, 本文方法对于平移外部参数的标定标准差约为2 mm, 旋转外部参数的标定标准差约为0.04?, 优于当前主流标定方法的结果。

• 基于参数与非参数模型结合的双臂机器人协作定位精度提升方法

  白明, 庞淋峻, 史羽胜, 张明路, 孙立新, 高春燕, 贾计东

  双臂协作机器人系统具有效率高、负载大、协同能力强等优点, 但双臂作业性能及质量不但受单臂定位精度的影响, 而且受双臂协作定位精度的影响, 因此, 本文提出了一种基于参数与非参数模型相结合的运动学标定方法。首先, 基于MDH(modified Denavit-Hartenberg)方法建立机器人运动学模型和参数误差模型, 去除模型中的耦合参数并基于迭代最小二乘法辨识几何参数误差; 其次, 针对传统的非几何误差补偿方法只能在标定坐标系建立关节位置与末端位置误差之间的映射关系的问题, 提出一种改进的非几何误差补偿方法补偿机器人本体非几何误差; 再次, 基于距离误差辨识双臂基坐标系转换矩阵的参数, 补偿双臂几何误差与非几何误差; 最后, 通过实验验证方法的正确性和有效性。结果表明所提出方法将UR10和UR5机器人的平均定位误差减小至0.170 9 mm和0.050 9 mm。双臂平均协作定位误差减小至0.167 6 mm, 与基于参数模型的方法相比协作定位精度提升了27.7%, 验证了该方法的优越性。

• 气动双稳态装置驱动的仿喷水推进乌贼结构软体机器人

  乔增, 王神龙, 李凯, 林俊杰, 胡锦杰, 黎卓羿, 黄宏泰, 李国瑞

  基于双稳态结构跳变原理, 设计了一种仿喷水推进乌贼结构软体机器人。首先, 制作一种双稳态驱动装置, 该装置随着气体周期性通断进行跳变, 带动拨水薄膜产生往复运动, 使得样机内部体积变化。其次, 通过调节双稳态装置的驱动频率, 使样机快速喷水、缓慢吸水形成动量差, 推动样机向前运动。通过试验得出双稳态驱动装置跳变产生的推进力的变化规律, 并将其应用到仿生乌贼的驱动中。最后, 试验分析了双稳态装置跳变过程的运动特性, 建立相应的力学模型, 通过ABAQUS仿真软件对驱动装置的弯曲性能进行仿真分析, 验证其弯曲性能。研究结果表明, 样机在双稳态装置驱动下可以达到8.7 cm/s (约0.58倍样机身长/秒)的运动速度, 具有一定的负重能力, 展现出了优异的游动性能。

• 基于张拉整体结构的仿生腿式机器人设计

  孙建伟, 李维佳, 褚金奎

  为提高传统仿生腿式机器人的适应性并简化控制系统, 提出了一种基于张拉整体结构的仿生腿式机器人。根据人体腿部的生理结构和运动机理, 建立腿部的Snelson X形张拉整体结构等效模型, 并通过结构稳定性分析和运动学分析给出了结构刚度匹配方法。通过将旋转和平移运动分离来实现膝关节旋转中心的移动, 利用平面四杆机构的死点实现机器人站立时膝关节的锁定; 然后通过曲柄滑块机构和位移放大机构实现联动解锁, 从而实现人腿行走过程中膝关节的刚-柔转换。最后通过单个电机驱动仿生腿式机器人进行物理样机测试, 验证所提结构的有效性和实用性。

• 基于拓扑地图的移动机器人室内环境高效自主探索算法

  齐立哲, 何东东, 陈骞, 孙云权

  为了减少移动机器人在自主探索过程中反复到达已知区域的次数, 从而提高自主探索效率, 提出一种高效率自主探索算法TMRRT(topological map based rapidly exploring random tree)。首先, 将变生长率的局部与全局快速扩展随机树(RRT)作为探测器来发现地图的边界, 并对前沿点进行聚类; 同时, 将最佳探测点存储下来作为拓扑地图, 避免机器人反复到达已探索区域。最后, 在不同环境下进行仿真并在实际环境中进行验证。实验结果显示, 本文的探索算法相对于RRT算法平均探索时长减小了7.5% 以上、平均路径长度减小了19.8% 以上, 相对于FA(frontier-based approach)自主探索算法平均探索时长减小了15.7% 以上、平均路径长度减小了34.3%以上。结果表明, 该算法可以有效提高机器人自主探索的效率, 在实际环境中具有可行性。

• 基于强化学习的机器人轴孔装配算法

  双丰, 卢万玉, 李少东, 袁小钢

  为了完成非结构化环境中的机器人轴孔装配任务, 提出了一种融入模糊奖励机制的深度确定性策略梯度(DDPG)变参数导纳控制算法, 来提升未知环境下的装配效率。建立了轴孔装配接触状态力学模型, 并开展轴孔装配机理研究, 进而指导机器人装配策略的制定。基于导纳控制器实现柔顺轴孔装配, 采用DDPG算法在线辨识控制器的最优参数, 并在奖励函数中引入模糊规则, 避免陷入局部最优装配策略, 提高装配操作质量。在5种不同直径的孔上进行装配实验, 并与定参数导纳模型装配效果进行比较。实验结果表明, 本文算法明显优于固定参数模型, 并在算法收敛后10步内可完成装配操作, 有望满足非结构环境自主操作需求。

• 基于广义坐标形式动力学的6-RUS并联机器人零力控制

  杜玉红, 刘栋财, 董广宇

  针对6-RUS并联机器人的拖动示教零力控制问题, 提出基于广义坐标形式动力学模型的解决方法。首先, 引入动态摩擦模型, 建立广义坐标形式的动力学模型; 利用全局区域法获取电机在工作空间某位置的实际输出转矩, 并采用Savitzky-Golay(SG)算法平滑噪声, 分析机构自身噪声对转矩数据的影响。然后, 结合6-RUS并联机器人动力学方程构建电机的期望输出转矩, 补偿电机的期望转矩与实际转矩之间的误差, 实时跟踪电机转矩实现零力控制。最后, 在6-RUS并联机器人平台上进行实验。结果表明, 在不同负载情况下, 电机的预测与实际输出转矩之间误差均在8.25% 以下; 在完成相同示教过程中, 本文方法所需的末端力矩仅为2.2 N·m, 而基于重力矩与摩擦力矩补偿的零力控制方法为3.4 N·m, 验证了本文零力控制法的有效性。与传统零力控制方法相比, 该方法简化了动力学建模步骤, 提高了构建期望电机转矩的效率, 解决了机器人静止、启动、运动反向阶段期望电机转矩预测不精确的问题, 同时实时补偿了转矩误差, 使得机器人获得更好的拖动效果。

• 无人机安全飞行控制综述

  陈谋, 马浩翔, 雍可南, 吴颖

  随着无人机在军事和民用领域的广泛应用, 如何在保证无人机安全的同时高效完成预定任务, 成为近年来飞行控制领域的研究热点之一。基于对国内外现有研究成果的梳理与总结, 本文综述了无人机安全飞行控制领域的研究现状与未来发展方向。首先, 针对无人机在不同任务场景下的飞行安全要求进行了概述。随后, 将无人机面临的安全飞行控制问题归纳为安全边界保护控制、不同约束下的安全控制、系统故障与攻击下的安全控制, 以及无人机集群系统安全控制4个方面, 并分别阐述与分析了各方面目前已有的关键控制技术。最后, 对无人机安全飞行控制技术未来的发展方向进行了展望。

• 水陆两栖仿生机器人构形、运动机理及建模控制综述

  张建, 周俊杰, 苑士华, 荆崇波

  从水陆两栖机器人本体构形、推进动力学建模、多环境运动控制等方面对水陆两栖机器人近期的研究现状进行综述。首先, 按照两栖机器人结构类型将两栖机器人分为腿式推进、轮腿/鳍复合式推进、蛇形推进、球形两栖机器人等; 然后, 介绍两栖机器人在水、陆环境中推进的动力学建模方法, 以及目前常用于水陆两栖机器人的多环境运动控制策略。最后归纳得到两栖机器人的关键技术及未来发展方向, 包括新型推进机构设计、系统建模、推进机理研究和多模态自主控制技术等。