机器人杂志

机器人杂志2023年第5期

• 一种用于机械臂拟人化控制的学习框架

  赵亮, 杨铁, 于鹏, 杨洋

  赋予机器人拟人化的动作可以使机器人的行为更具可解释性和可预测性, 可以显著提升人机协作任务的质量和安全性。本文提出一个"人在回路"学习框架, 从人类遥操作示教中学习拟人化姿态特征, 并将学习到的特征模型应用于冗余机械臂的控制中产生拟人化动作。在模型训练过程中采用"人在回路"的在线再标注方法, 克服了协变量偏移问题, 将总示教时间缩减至10 min以内。人机姿态对比和动态轨迹跟踪任务实验验证了该框架训练得到的拟人化控制方法的有效性。用户评价测试表明, 使用拟人化姿态约束的机械臂在主观体验方面对用户更加友好, 作为共同作业的工具更容易被非专业用户所接受。

• 一种用于接触作业的全驱动旋翼飞行机械臂设计与实现

  顾玥, 宋光明, 郝爽, 毛巨正, 宋爱国

  传统欠驱动旋翼无人机的动力单元推力方向平行, 无法在不改变姿态的情况下产生横向推力, 限制了飞行机械臂的交互能力与应用场景。针对此问题, 本文设计了一种全驱动旋翼飞行机械臂, 通过倾斜动力单元的安装角度改变推力的方向, 根据该结构设计了控制分配矩阵进而验证其全驱动特性, 并从控制结构上实现了位置与姿态的独立控制; 提出了用于接触作业的飞行机械臂的接触力控制方法, 将接触检测任务分为接近阶段与移动接触阶段, 采用力/运动混合控制器完成接触面法线方向上的力控制。户外实验结果表明, 所设计的全驱动旋翼飞行机械臂实现了稳定飞行和移动接触作业, 与欠驱动平台相比, 飞行过程中的位置移动不依赖于姿态改变, 姿态角稳定在±1.5° 以内, 且在移动接触过程中实现了接触面法线方向上的接触力控制。

• 基于黏附稳定包络边界的爬壁机器人竖直壁面过渡策略

  宋益帆, 王炳诚, 段晋军, 戴振东

  爬壁机器人由于其出色的攀爬能力在管道、壁面类检修与维护等方面表现出独有的优势, 但是攀爬过程中因缺乏竖直异面过渡能力而限制了其在壁面的运动性能。本文以机器人在竖直攀爬面上内直角处灵活过渡为研究目标, 提出了多足机器人在壁面过渡中的足端力映射模型与足底力求解方法, 以及相应的壁面过渡策略。首先建立了一种适用于匍匐式攀爬机器人的足端黏附力映射模型, 构建了足端力与质心广义力的等效映射关系, 在此基础上以机身稳定为原则, 采用多约束的非线性规划方法求解出能够实现壁面过渡的黏附包络的上下边界, 为机器人稳定壁面过渡提供评价指标。其次, 研究壁面过渡进程中机器人与环境稳定接触与剥离的优化过渡策略, 并依据所提出的评价指标完成仿真验证。最后在实体机器人平台上测试上述壁面过渡策略, 实验结果表明该策略能够有效提升壁面过渡的成功率, 保障爬壁机器人在壁面过渡应用中的可靠性。

• 基于增强现实的脊柱微创手术导航系统

  王庆辉, 赵凯航, 宋国立, 赵忆文, 赵新刚

  针对脊柱微创手术实际的临床导航需求, 设计开发了一种基于增强现实的脊柱微创手术导航系统。在术前通过CT对患者脊柱病灶部位进行扫描和重建, 将合适的脊柱模型导入Unity-3D平台中并为其添加控制脚本。使用标定球对手术器械进行标定, 采用Polaris Vega光学追踪器实时追踪手术器械, 建立手术器械与Polaris Vega光学追踪器之间的坐标转换关系, 将识别到的手术器械位姿信息实时发送到HoloLens设备中, 从而实现手术器械、病灶模型等医疗影像的同步显示。在术中为医生提供3维脊柱病灶影像的可视化显示, 帮助医生实现病灶定位和手术器械导航。经过脊柱模型实验测试, 系统导航误差小于2.8 mm, 可以满足脊柱外科的临床应用要求。

• 面向康复外骨骼的串联弹性关节设计与控制

  陈万鑫, 张弼, 张庆超, 姚杰, 赵明, 赵新刚

  串联弹性关节为下肢康复外骨骼提供了柔顺化设计方案, 但其结构与控制的设计上仍存在诸多挑战。针对康复外骨骼的人机交互需求, 本文首先提出了一种集成了新型弹性元件的串联弹性关节, 该关节能够在实现结构柔顺性的同时, 根据外部载荷实现线性/非线性刚度切换。其次, 针对模块化关节建立了刚柔耦合动力学模型并对物理系统进行了分步解耦辨识。在模型预测控制框架下, 通过一种迭代线性化方法对非线性非凸优化问题进行控制算法设计。最后, 设计了多组轨迹跟踪实验、扰动实验, 并对系统控制带宽进行了讨论。实验结果表明, 所提出的控制方法在控制约束的条件下实现了不同参考轨迹的跟踪, 有效降低了控制能耗并抑制了外部扰动。

• 一种基于地空视角信息融合的激光SLAM系统

  张满, 侯宇轩, 杨毅, 付梦印

  地面无人平台安全运行与高效决策均依赖于自身的精确定位和对环境的全面感知。针对单视角机器人感知受限问题, 提出了一种基于地空视角信息融合的激光SLAM(同步定位与地图构建)系统。首先, 系统引入无人机构建的空中点云地图作为先验信息。然后, 通过地空视角点云子图配准网络求取空中子图到地面局部地图的最优配准, 再基于多视角因子图优化框架融合空中先验信息和地面感知信息。最后, 在长约1000 m的工地环境道路上进行实验。相较于经典单视角激光SLAM系统, 本系统的平均平移误差下降了5.87 m, 平均旋转误差下降了1.67°。结果表明, 本系统有效提高了地面无人平台的定位精度。另外, 还通过地图融合有效弥补了地面无人平台由于路口结构、障碍遮挡等因素导致的感知盲区。

• 基于改进相关性扫描匹配的室内大场景下移动机器人的全局定位方法

  程捷, 郭振武, 周坤, 王斌锐

  现有的大多数全局定位方案着重于从原始激光点云或者栅格地图中提取特征点及其描述符, 但在环境特征稀疏的某些室内大场景内, 无法有效提取特征。针对这种情况, 本文使用相关性扫描匹配(CSM)算法进行全局定位, 并通过计算点对位姿解算的贡献度, 改进了CSM算法中的点云降采样步骤和角度步长计算步骤。最后, 使用改进前后的算法在仿真环境与实际环境中进行对比实验。实验结果表明, 相较于原CSM算法, 改进后算法的定位成功率提高了约1.5%, 算法耗时缩短了约1.1 s, 证明本文算法比原CSM算法更适用于室内大场景。

• 基于链状结构保持的多AGV系统灵活高效死锁避免控制策略

  陈果, 何代钰, 欧阳博, 颜志, 文蔚, 饶有福, 王耀南

  现有的多AGV(自动导引车)系统处理死锁的方案往往约束过强, 压缩了潜在的性能优化空间。本文提出一种高度灵活的死锁避免算法, 通过分析系统状态图中的宏环结构并结合银行家算法来实现状态图的链状结构判断, 在确保算法高效性(最坏情形时间复杂度为O((|V|+|E|)|A|), 其中V、E、A分别代表节点、边、AGV)的同时, 实现了灵活的死锁避免。通过离散事件系统仿真及实际系统应用验证了算法的有效性, 结果表明, 在典型路线图上, 该算法相较于经典的银行家算法及其变种, 容许覆盖率提升高于16%, 在使用相同任务分配、路径规划算法的情况下, 任务平均完成时间降低了15%, 具有更高的灵活性, 有效提升了系统性能优化的潜力。

• 磁驱动微型机器人的智能控制发展现状

  徐天添, 黄晨阳, 刘佳, 徐艳花, 赖证宇, 吴新宇

  低强度磁场无线驱动的微型机器人可以在狭小空间中运动并完成复杂作业任务, 如靶向给药、微操作及环境检测等。本文旨在总结磁驱动微型机器人的智能控制发展现状, 主要包括智能控制方法在以下方面的应用: 从刚性结构到柔性结构的磁驱动微型机器人, 从单一运动模态到多种运动模态的磁驱动微型机器人, 从开环控制到闭环控制的磁驱动微型机器人, 从单个个体到单个群体再到多个个体的磁驱动微型机器人。最后, 展望了磁驱动微型机器人的未来发展方向, 包括更大空间的磁驱动装置, 更多运动模态的微型机器人, 软体结构的医疗微型机器人, 微型机器人自主导航和多个磁驱动微型机器人的控制。

• 脑瘫步态康复机器人研究进展

  朱志浩, 石斌, 王晶

  脑瘫步态康复机器人可以克服传统步态康复手段治疗师人数、精力、经验不足等缺点, 提供持续、高特异性和高强度的康复辅助治疗。本文总结了初步临床的脑瘫步态康复机器人的研究现状, 并探讨了相关技术的不足与发展方向。首先, 对脑瘫病理特点、运动症状和传统康复手段的不足进行了介绍。然后, 对14款典型脑瘫步态康复机器人从机械结构、病例特性及临床实验设计等3个方面进行综述。进而, 从脑瘫步态康复机器人的设计思路、整体结构、辅助形式和辅助关节以及临床试验的受试者、辅助策略、实验设计和临床评估等方面讨论分析了现有研究的局限性, 并对相关技术的发展趋势进行展望。