机器人杂志

机器人杂志2024年第1期

• 智能空间下面向动作序列生成的服务机器人指令解析方法

  崔永成, 田国会, 周昭旭, 蒋峥嵩

  服务机器人在执行家庭任务时存在任务分析困难、环境适应性差、人机交互不友好等问题。为了更加准确地理解用户意图，规划符合当前环境的服务步骤，研究了智能空间下面向序列生成的服务机器人指令智能解析方法，以加强机器人对于家庭环境下服务任务的认知能力。首先，从指令关键词入手，提出了一个基于门控机制的意图识别模型，加强了机器人对用户指令的认知能力。然后，提出了一种以服务策略作为中间状态的序列文本生成机制，用于辅助生成机器人的动作序列。同时，结合机器人与环境的多模态感知，集成了一种基于智能空间本体交互的策略修正机制，以生成最符合当前环境的服务策略。最后，融合了基于领域与问题描述的任务规划模块，为机器人生成可执行的动作序列，从而提升服务任务的执行质量。实验结果表明，本文方法在保证交互友好的同时，能够准确理解复杂的用户指令，并最终生成机器人能执行的可靠动作序列。

• 基于互相关－Transformer双层特征融合的目标跟踪算法

  李子万, 范慧杰, 王强, 于祯成, 唐延东

  当前算法主要使用互相关操作和Transformer中的一种方法来设计特征融合网络，这种策略忽视了二者之间的优势互补，容易丢失语义信息，陷入局部最优。针对上述问题，设计了一种基于互相关－Transformer双层特征融合的目标跟踪算法，使用改进的互相关操作和Transformer方法分别对模板和搜索区域特征进行融合，实现两种融合方式的优势互补，使模板和搜索区域特征充分交互，实现特征的有效增强和充分融合，并在互相关操作中引入相似矩阵来增强模板和搜索区域中与当前帧中的目标有关联的特征，使互相关操作的匹配过程更加准确。该目标跟踪算法包括一个基于Swin-Transformer的主干网络，一个互相关和Transformer双层融合模块，一个预测分支。提出的算法在TrackingNet、LaSOT、NFS、UAV123和OTB2015五个数据集上取得了鲁棒的效果，分别达到81.8%、65.7%、66.2%、69.4%和69.8%的成功率，平均跟踪速度达到40帧/秒。

• ArUco辅助的爬壁机器人自主定位方法

  张文, 杨耀鑫, 黄天帜, 孙振国

  针对现有的爬壁机器人定位技术在纹理特征不明显、环境相对封闭、存在强磁干扰等特殊环境下的不足，提出利用机载鱼眼相机观测固定于地面的ArUco码的全新定位方案并实现了基于该定位方案的惯性测量单元/编码器/鱼眼相机多传感器融合的自主定位方法A-IEF。该方法首先识别ArUco码，并根据其在鱼眼图像中的位置筛选关键帧；然后，研究了固定于地面的ArUco码的角点在鱼眼图像中的重投影规律，并结合机器人姿态约束进行重定位优化；其次，在关键帧区间内，推导了角点重投影误差关于机器人位置和姿态增量的雅可比矩阵；接着，设计了基于ES-EKF（误差状态扩展卡尔曼滤波）的多信息融合方法，以编码器估计的位移误差及ArUco角点重投影误差作为观测量，实现对机器人航向角和位置的修正；最后，在大型钢制构件上进行测试，试验结果表明，本文方法具有更高的定位精度，其中位置估计精度保持在0.06：m以内，航向角估计精度保持在3.7°以内，相较于ArUco-rectified、航位推测法等定位算法，位置误差降低约47%，航向角误差降低约68%，并能够实现在弱光照环境中的定位。

• 立式罐容量计量中爬壁机器人的路径规划

  汪潼, 朱世强, 宋伟, 李存军, 施浩磊

  针对立式罐容量计量中的需求，设计了一种激光跟踪仪与爬壁机器人相结合的计量方法。为实现高效、高精度的容量计量，基于测点分布规划了一种机器人测量路径。首先，采用2种计算方法分别适应周向、垂向稀疏的测点分布。由于测量路径与计量精度的关系尚不明确，因此创建了罐体模型以分析测点分布对用时、精度的影响，进而确定路径样式及参数。最后，在罐壁点云和某储罐上分别进行仿真和实物实验，提出一个损失函数以评价该路径，并将现场测量结果与全站仪法的结果进行比对。结果表明，使用该路径开展测量的用时短，仿真与实物实验的计量误差均小于0.04%，总体损失小于其他现有计量方法。

• 一种用于可形变对象操作的动力学模型隐式求解方法

  邓豪, 熊璟, 夏泽洋

  机器人操作可形变对象在多类场景中具有重要的应用需求。然而，对象复杂的高维动力学模型导致难以准确、快速地计算其形变。本文建立了一种基于交替方向乘子法的对象形变动力学模型快速、准确、隐式优化求解方法。该方法以通用对象几何模型为输入创建有限元模型，并分别构建材料本构势能函数和操作及碰撞交互单元的位置约束能量函数。随后，采用动力学投影方法构建基于交替方向乘子法的两项优化求解问题，最终快速、准确地计算对象在机器人操作下的形变。数值实验表明，所提出的方法能够在保证相对形变计算误差低于5%的条件下，实现高于24帧/秒的物理形态更新。针对实际应用场景，对所提出的方法开展了从形变仿真预测到在线操作执行的量化评估以及全局约束环境下的离线规划和仿真应用验证。

• 下肢外骨骼机器人交互力激励估计与稳定性分析

  汪步云, 李正正, 许德章, 程军, 梁艺, 杨鸥

  为解决下肢外骨骼助行稳定性判据忽略人机交互需求的问题，提出了一种考虑人机交互力的助行稳定性判别和助行速度优化方法。首先，建立并分析了人行走和人－机协同行走的倒立摆模型，并融合质心加速度和足底压力信息来间接表达难以测量的人机交互力，进而给出了CoM-CoP-CoA（质心－足压中心－加速度合成点）数学表达式，探究了人机交互力对外骨骼助行稳定性的影响。其次，在上述数学表达式的基础上，采用区域比较法，提出了基于矩阵不等式的外骨骼助行稳定性判据。再次，为探究助行速度与稳定裕度的关联关系，通过改进的稳定裕度描述法，提出了一种稳定裕度评价函数，用以优化外骨骼的助行速度。最后，开展了3种助行速度下的人机协同行走对比实验，分析了实验结果，并优化了人机协同行走时的速度。实验结果表明，所提出的稳定性判据和评价函数能够实现对外骨骼助行稳定性的判别及助行速度的优化。

• 基于可穿戴式多模态人机接口的机械臂运动控制方法

  陆子霖, 周亚军, 黄骐云, 李远清

  现有的人机接口系统存在指令较少、操作困难、任务能力受限等问题，无法有效拓展到机械臂的多维运动控制。本文提出了一种基于可穿戴式多模态人机接口的机械臂运动控制方法。该方法结合用户的眼电、头部姿态和语音等多模态信号，将其转换成控制指令，从而实现对机械臂在任意角度下的2维和3维连续运动控制。由10名受试者完成了指令输出、2维目标跟踪、字母书写和3维物体抓取等测试。结果显示，系统利用眨眼动作生成指令的平均准确率为96.67%，平均响应时间为1.51 s，平均信息传输率为142.53 bit/min，平均误报率为0.05次/分钟。此外，系统在2维平面沿2条不同路线跟踪目标的均方根偏差分别为0.12和0.14（归一化），抓取3维物体时的平均轨迹效率为92.65%，系统的控制效果与手动控制效果相当。实验结果验证了利用该多模态人机接口实现机械臂高效运动控制的可行性以及它在上肢运动功能辅助方面的应用潜力。

• 面向多智能消防机器人的编队避障控制方法

  黎星华, 刘晓平, 王刚, 吴少波, 李文俊

  为了提高多智能消防机器人系统在复杂火场环境下协同运动的安全性和及时性，提出一种基于动态权重的虚拟领航—领航—跟随法与改进人工势场法相结合的编队避障控制方法。首先，设计一种圆周运动控制律与方位角定位控制律相耦合的协同编队控制器，使各机器人收敛到以虚拟领航机器人为原点形成的圆上的期望位置。然后，对传统人工势场法进行改进，利用一种对数障碍函数建立道路两侧的危险膨胀区域来保障编队行驶在安全区域内，接着通过调整障碍物和道路边界共同作用在机器人上的合斥力方向，使得合斥力方向变为与目标作用的引力方向垂直且远离障碍物的方向，以解决局部极小值和目标不可达的问题。最后，引入动态权重因子对编队控制器和避障控制器进行自适应比值调整。为验证本文控制器的有效性，与传统人工势场法、固定权重的改进人工势场法进行仿真实验对比，结果表明所设计的控制器在收敛速度、跟踪误差和避障效果方面都表现更优。为进一步验证本文控制器的实用性，采用3台智能消防机器人进行物理实验，实验结果表明本文控制器既可以将编队限制在道路可行驶区域内，又可以较好地完成编队避障。

• 一种面向地下管网环境的多机器人路径规划算法

  贺志刚, 毛剑琳, 杨邹, 张凯翔, 张书凡, 付丽霞

  多台机器人在地下管网执行任务时由于各通道只能允许一台机器人通过，可能因此出现大量的终点封堵和位置互锁问题，目前的路径规划算法无法有效解决此类问题。对此，本文提出一个具有中间点的动态优先级SIPP（安全间隔路径规划）算法，命名为DPiSIPP。首先引入确定性重新调度方法，使遭遇终点封堵问题的机器人能得到优先规划从而解除封堵。然后，对出现位置互锁问题的机器人添加一个中间点进行分段规划，以此直接解除互锁关系或将位置互锁问题转化为终点封堵问题来解决。实验结果表明，在地下管网场景下，DPiSIPP算法的求解成功率相较于Anytime SIPP算法、WSIPPd（具有重复状态的加权SIPP）算法和增强型CBS（基于冲突的搜索）算法最高分别可提升30%、30%和10%左右，这说明本文算法在求解能力上明显优于上述算法。

• 具有双重被动柔顺特征的撑套式装配机械手构形设计与特性研究

  王良文, 解宏昌, 王壮, 司亮, 杜文辽, 谢贵重

  利用机械手抓取与装配薄壁易碎件时，受作业对象的形貌误差等影响，易碎件容易破裂。针对此类问题，提出了一种可实现双重被动柔顺构形的撑套式装配机械手。首先，介绍了机械手抓取用于合成金刚石的易碎原料环的作业过程，分析了在装配过程中可能出现的误差情况，提出了设计双重被动柔顺机械手结构的准则，并对机械手的关键部件——柔顺环——的设计过程进行了介绍。其次，为了研究该机械手在工作中的响应情况，构建了机械手的3维模型，并导入ADAMS软件中进行仿真分析，获得了装配过程中工件的应力及柔顺环的受力及形变。仿真结果表明，当薄壁易碎件与待装配凸模之间存在位姿偏差时，所设计的机械手结构可以通过自适应形变调整其抓取工件时的位姿，并顺利完成装配。最后，设计制作了相应的机械手实验样机进行实际装配实验，证明了研究结果的正确性。

• 机器人化装备测量－加工一体化技术现状及展望

  王卓群, 谢福贵, 解增辉, 刘辛军

  面对非结构化的加工场景以及多品种小批量复杂构件的定制化加工需求，机器人化装备需具备感知待加工件和加工场景的能力，对测量技术与加工技术的深度融合需求迫切，但目前尚无成熟的技术体系。本文围绕测量－加工一体化技术所涉及的测量数据获取、加工特征提取、加工方案生成和末端闭环控制4项关键技术进行综述，总结了测量－加工一体化技术的现状与面临的技术挑战，对测量－加工一体化技术在构建跨尺度测量场、优化数据驱动方式、集成多功能测量、拓展智能化应用等方面的发展趋势进行了分析和探讨。