机器人杂志

机器人杂志2023年第4期

• 基于微分同胚映射动态系统的接触任务运动规划与控制

  杨尚尚, 谢啸, 高霄, 段宝阁, 肖晓晖

  为解决目前机器人接触任务中时间相关的运动规划与控制方法抗扰动性弱的问题，提出了基于微分同胚映射动态系统的运动规划和控制方法。首先，采用动觉示教的方式在搭建的实验平台上采集人工完成接触任务时的位置和力数据，并建立基于微分同胚映射的动态系统。然后，将人工扰动条件下的接触任务分解为接触作业、人工扰动下运动和自由空间运动3个状态，并针对各个状态分别设计基于动态系统的力和姿态控制调节项。最后，分别进行无人工扰动和有人工扰动实验，同时与离线控制方法比较力控制效果。实验结果表明：当机器人从示教轨迹起点开始运动，10次重复实验的运动轨迹相比于示教轨迹位置和姿态的最大误差分别小于0.008 m和1.01 ^\circ ，力均方根误差的平均值为0.86 N，相比于离线控制方法略大；从自由空间任意位置出发，机器人都可以进入接触空间执行接触任务；当机器人在作业过程中出现人工扰动时，机器人可根据人的意图运动，且在扰动消除之后恢复作业且力均方根误差值与无人工扰动时的结果接近。实验结果充分验证了本文方法的有效性，实现了在扰动下接触任务的运动规划与控制，且具有较强的抗扰动性。

• 基于Transformer架构和B样条平滑约束的机器人面部情感迁移网络

  黄忠, 任福继, 胡敏, 刘娟

  为提高类人机器人面部情感迁移的时空一致性并降低机械运动约束的影响，提出一种基于Transformer架构和B样条平滑约束的机器人面部情感迁移网络RFEFormer。该网络由面部形变编码子网和驱动序列生成子网组成。在面部形变编码子网中，为表征帧内不同层次、不同粒度的空间信息，基于域内形变注意力和域间协作注意力双重机制构建帧内空间注意力模块并嵌入到Transformer编码器中；在驱动序列生成子网中，利用Transformer解码器实现面部时空序列和历史电机驱动序列的交叉注意以及未来电机驱动序列的多步预测，并引入三次B样条平滑约束实现预测序列的规整。实验结果表明：RFEFormer网络的电机驱动偏差、面部形变逼真度和电机运动平滑度分别为3.21%、89.48%和90.63%，且实时面部情感迁移帧率大于25帧/秒。与相关方法相比，RFEFormer网络在满足实时性的同时提升了逼真度、平滑度等时序指标性能，而人类感官对这些指标更为敏感、也更为关注。

• 基于多级核化运动基元的人机交递轨迹模仿学习

  柏纪伸, 钱堃, 徐欣

  针对人机交递任务中的机器人轨迹再现与泛化问题，提出一种基于多级核化运动基元的人机联合轨迹单例模仿学习算法。通过将一个空间子区域中学习到的人手与机械臂末端位置之间的非线性关系迁移至其他子区域，实现人机交递技能对整体交互工作空间的覆盖；对机械臂末端动作轨迹长度进行建模与调制，使得算法能在轨迹重现过程中适应机械臂末端轨迹的长度变化。在UR5机器人上的实验表明，相较于传统核化运动基元算法，多级核化运动基元算法避免了对完整人手位置空间区域进行等密度采样，消除了在对某一子区域内人手位置进行推理时其他区域采样点的干扰，将推理平均误差由7.11 cm降低至1.85 cm，预测平均时间由0.138 s降低至0.015 s，提高了预测精度和实时性，针对具有尺度差异的人机联合轨迹样本，将交递成功率由13.3%提升至100%，提升了算法的学习与适应能力。

• 基于多曝光图像生成的低照度图像增强

  管宇, 陈希爱, 田建东, 唐延东

  低照度图像会使很多计算机视觉算法的鲁棒性降低，严重影响机器人领域的许多视觉任务，如自动驾驶、图像识别以及目标追踪等。为获取具有更多细节信息以及更大动态范围的增强图像，提出了一种基于多曝光图像生成的低照度图像增强方法。该方法通过分析真实拍摄的多曝光图像，发现不同曝光时长的图像的像素值之间存在线性关系，使得正交分解的思想可以应用于多曝光图像生成。多曝光图像是根据物理成像机制生成的，与真实拍摄图像更为相近。在将原图分解得到光照不变量和光照分量后，通过设计自适应算法生成不同的光照分量，再与光照不变量合成可以得到多曝光图像。最后利用多曝光图像融合方法获取具有更大动态范围的增强图像。该融合结果与输入图像保持一致，最终的增强图像可有效保留原始图像的色彩，自然度高。在真实拍摄的低照度图像公开数据集上进行了实验并与现有先进算法进行对比，结果表明，本文方法得到的增强图像与参考图像之间的结构相似性提高了2.1%，特征相似性提高了4.6%，增强图像与参考图像更接近且自然度更高。

• 基于FAST馈源支撑系统的索牵引并联机构的力学分析

  赵雅聪, 王启明

  对FAST（500米口径球面射电望远镜）馈源支撑系统中的索牵引并联机构进行了力学分析。首先，在考虑钢索自重及弹性变形的情况下，建立了静力平衡状态单根钢索的悬链线模型；然后，采用绝对节点坐标法对变长度单元进行描述，进一步得到整根钢索的动力学模型；利用钢索与馈源舱之间的约束以及钢索出索点的约束得到六索牵引并联机构的动力学方程；对建立的索牵引并联机构的动力学模型进行数值计算和仿真，并将FAST实际运行中的钢索速度代入模型中进行验证。仿真结果表明了钢索动态特性对馈源舱位姿的影响，并且馈源舱位姿的仿真数据和实际观测数据趋势相吻合，最大相对误差不超过20%。

• 基于目标导向和分层平滑优化JPS算法的移动机器人运动规划

  王立勇, 马少博, 王超, 丁炳超, 李伯雄, 王浩东, 苏清华

  针对JPS（跳点搜索）算法的搜索过程缺少方向引导，检索路径上存在较多冗余点、转折点，且路径不平滑的问题，提出了一种基于目标导向和分层平滑优化的跳点搜索（GHSO-JPS）算法，并通过多段多项式法和基于斥力势场的碰撞惩罚算法对运动轨迹进行优化。首先通过引力势场增强搜索方向的目标性，减少无关跳点的搜索。其次采用分层平滑优化策略消除路径中的冗余点和转折点，减少路径点数量和路径长度，提高路径平滑性。最后采用多段多项式方法进行轨迹优化，并通过斥力势场构建轨迹碰撞惩罚函数，以提高轨迹安全性。在实验室和校园区域对JPS算法、A*算法、RRT（快速扩展随机树）算法和本文算法进行实车实验对比和分析。结果表明，本文算法在4种算法中性能最佳。相比于传统JPS算法，在校园区域中本文算法的搜索时间缩短41.6%，跳点数量减少55.5%，路径长度减小3.22 m，并且路径点数量和总转折角度分别减小89.8%和81.8%。相比于A*算法和RRT算法，本文算法的规划时间分别缩短70.4%和93.7%，规划的最优路径的总转折角度分别减小了90.3%和97.1%。综上，该算法较传统运动规划方法具有更好的路径规划性能、更高的效率及更强的轨迹优化能力。

• 面向TEM手术的柔性机器人设计与控制

  曹旭昶, 孙振, 李飞, 周鑫, 付卫, 王君臣

  面向经肛内镜微创手术（TEM），设计了一种基于万向轴关节和串联杆结构的柔性机器人。基于柔性体变形的恒曲率模型建立了万向轴关节的正运动学，并提出了一种万向轴关节的正运动学优化方法，建立了柔性机器人驱动空间、关节空间以及工作空间之间的映射关系。设计并实现了柔性机器人的主从控制方法。采用光学定位系统对柔性机器人末端定位误差进行检测，实验结果表明，柔性机器人末端的绝对定位误差小于6.00 mm，重复定位误差小于3.00 mm。

• 尾部带有推进器的水下蛇形机器人的高效运动模式

  高明, 孔德天, 任超, 张婧一, 马书根

  目前水下机器人已经在海洋开发中的探查、监控、搜救和维护等领域广泛应用。而水下蛇形机器人作为多关节、高灵活性的水下机器人，在运动效率、功能执行、环境适应、自主学习等方面相比传统水下机器人更具优势。本文针对一类尾部带有推进器的水下蛇形机器人的运动效率问题，提出了一种结合蜿蜒运动和推进器推进的高效运动模式。首先建立水下蛇形机器人动力学模型。然后通过运输经济度量法来评价蛇形机器人的运动效率，基于此评价方法采用非支配排序遗传算法（NSGA-Ⅱ）对3个蜿蜒步态参数（关节运动的幅值、关节运动的频率、关节之间的相位角偏差）和推进器推力共4个运动参数进行仿真优化。优化结果表明，在3种运动模式中：在低速段采用蜿蜒模式效率最高；在中速段，采用蜿蜒运动与推进器推进相结合的混合运动模式效率最优，该情况下不仅能够达到蜿蜒模式难以达到的速度，而且整体的运动效率高于推进器模式；在高速段，仅由推进器提供动力具有最高的运动效率和最大前向运动速度。最后，通过水池实验，验证了所提出的运动模式的有效性，该模式可以最大程度地发挥带有推进器的水下蛇形机器人的运动能力，提高机器人的运动效率，并延长其电池续航时间。

• 基于模糊逻辑的混合推进ROV多级推力分配策略

  孙功武, 苏义鑫, 毛英, 谢基榕, 焦慧峰, 屈俊琪

  为发挥ROV（遥控水下机器人）混合推进中电动推进系统高效率、大容量和液压推进系统快响应的组合优势，提出了一种基于模糊逻辑的多级推力分配策略。首先，该策略通过3维模糊控制器实现期望纵向力增量的分配；然后，考虑2种推进系统的推力性能进行期望纵向力的分配计算，从而将期望纵向力分解为2部分，分别对应于2种推进系统；最后，针对电动推进系统和液压推进系统分别开展推力分配，得到每台推进器的推力指令。仿真对比结果表明所提策略能够根据推力需求及推进系统状态对纵向力的分配比例进行动态调节，使ROV具有较好的运动性能和较高的运行效率，验证了该策略比伪逆法更加灵活有效。

• 自主水下机器人海底热液区应用综述

  蔡巍, 陶春辉, 王渊, 吴涛, 徐春晖, 张国堙, 张金辉, 陈永顺

  聚焦自主水下机器人在海底热液区的应用进展，首先介绍了国内外用于热液探测的自主水下机器人的研究现状，提出了热液区地形地貌探测、水体环境探测、地球物理场探测和样品采集等代表性应用需求，并回顾了中国“潜龙”系列自主水下机器人在热液区的应用成果，最后展望了有望推动热液区科学探索和硫化物资源勘探的自主水下机器人未来技术发展方向。

• 基于哺乳动物空间认知机制的机器人导航综述

  孟志林, 赵冬晔, 斯白露, 戴士杰

  哺乳动物大脑的海马结构和内嗅皮层是产生空间认知的关键脑区，使动物具有在陌生环境中自主导航的能力。随着对自主智能导航系统的需求日益增长，发展受脑启发的机器人导航技术迫在眉睫。本文综述了哺乳动物空间认知的神经生理学机制，并在此基础上介绍了空间认知的计算模型及其在类脑机器人导航系统中的应用，最后讨论了类脑导航技术当前面临的问题及相关热点研究方向。