机器人杂志

机器人杂志2024年第3期

• 无驱动冗余的纯中心压电黏滑旋转台

  马世坤, 杨依领, 吴高华, 崔玉国, 魏燕定

  针对精密位姿调整时的大转角、高分辨率、高承载能力和结构紧凑性能需求, 利用压电驱动器驱动柔顺机构设计了具有力增幅特性的纯中心黏滑旋转台。单驱动器致动避免了驱动冗余, 同时改变桥式驱动机构的倾斜角度可对夹紧力放大特性进行调整。首先利用混合直圆和叶型柔性铰链的柔顺机构, 设计了含有一对中心对称驱动足的桥式机构, 并与圆形滑块结合, 在放大夹紧力的同时实现无冗余、纯中心转动。然后通过有限元仿真分析了旋转台的单步转角、力放大倍数及应力, 并与理论计算结果对比。最后搭建实验测试平台, 验证了所设计旋转台的性能。旋转台整体尺寸为86 mm×86 mm×32 mm, 在150 V输入电压的作用下, 实验测得的最大负载为9 kg, 旋转台的角分辨率为0.10 μrad。

• 面向空地协同的旋翼无人机动平台自主降落最优轨迹生成

  郑勇杰, 张广玉, 杨丽英, 黄朝雄

  旋翼无人机在移动平台上快速自主降落能够提升空地机器人的任务适应性和作业灵活性, 对提高任务响应速度和增强救援能力具有重要意义。为了使旋翼无人机在最短时间内安全降落到移动平台, 本文提出了一种最优升力分解轨迹生成方法, 旨在在升力有限的情况下, 最大化旋翼无人机的飞行性能。该方法首先对旋翼无人机的有限升力进行分解, 获得最优的3轴升力分配, 然后将非线性加速度约束转化为动态线性约束, 最后根据最优控制理论求解出最优飞行时间轨迹。仿真结果表明了本文提出的算法能够保证轨迹生成的准确性和稳定性, 并且该算法的计算效率高, 能够满足系统实际应用中的实时性要求。

• 基于分段动态运动基元的机械臂轨迹学习与避障方法

  刘暾东, 张馨月, 林晨滢, 吴晓敏, 苏永彬

  针对存在障碍物的复杂工作场景中所规划的机械臂运动轨迹与示教轨迹相似性不高的问题, 提出一种基于分段DMP(动态运动基元)的轨迹学习与避障方法。首先利用DMP模型对示教轨迹编码生成一条学习轨迹, 结合快速扩展随机树算法(RRT)在工作空间中获得能够顺利回归原始轨迹的避障路径; 然后针对避障路径确定中间点进行分段DMP优化编码, 学习生成具有一定泛化能力的复现轨迹; 最后通过机械臂进行轨迹复现, 实现保留原始轨迹特征的避障功能。通过手写体字母实验与六轴机械臂平台上的物块搬运实验进行验证, 结果表明: DMP分段编码的能力有效解决了传统避障算法所造成的轨迹变形和特征破坏问题, 与传统避障算法的轨迹相比, 实验结果轨迹与示教轨迹的相似性有了明显提高, 验证了所提方法的有效性。

• 一种室内弱纹理环境下的视觉SLAM算法

  蔡显奇, 王晓松, 李玮

  针对室内机器人在弱纹理环境下视觉SLAM(同步定位与地图构建)不鲁棒、不精确的问题, 提出一种视觉惯性SLAM优化算法。首先, 利用基于注意力机制的深度学习模块直接对相邻两帧图像进行特征匹配, 结合传统特征检测方法, 解决无法提取足够特征点的问题; 其次, 建立相机深度置信模型, 在计算相机帧间位姿变换关系前, 引入空间点的深度置信概率来减小远距离特征的漂移误差; 最后, 将参与后端优化的所有匹配特征点的深度置信度作为动态鲁棒核函数的分段阈值, 优化传统光束平差法, 协调整体运动轨迹。实际场景实验表明, 该算法在弱纹理环境下有明显的鲁棒性, 相较于VINS-RGBD算法, 该算法的绝对轨迹误差降低了50.38%, 相对轨迹误差降低了85.75%。

• 一种基于双稳态驱动器的气动软体四足机器人

  李兴旺, 滕燕, 徐迎

  软体机器人受材料性质和驱动原理等方面的限制，难以提升运动性能与承载能力。为此，本文提出一种基于双稳态驱动器的气动软体四足机器人。首先，设计了一种由刚性连杆、软体驱动器和弹簧3部分组成的双稳态软体驱动器。驱动器利用弹簧进行储能，通过压缩空气的驱动，可在2种稳定状态之间快速跳变。推导出驱动器的理论能量模型并对样机进行测试，试验测得双稳态软体驱动器的跳变运动时间为60~100 ms，其末端输出力是同驱动条件下软体驱动器的2~4倍。然后，以该驱动器为基础设计了一种四足机器人，并对机器人的控制方案和运动步态进行分析。最后，搭建气动控制回路对四足机器人样机的性能进行测试。研究结果表明，该样机在一个运动周期内可爬行125 mm或转向15 ^\circ ，平均爬行速度为158.62 mm/s（1.11倍体长/秒），最高瞬时速度达396.62 mm/s（2.83倍体长/秒）。此外，该机器人可承载400 g负载，相当于自身质量的1.08倍，展现出了良好的运动性能与承载能力。

• 基于导纳控制的社交机器人伴随与避障控制策略

  廖哲霖, 彭建伟, 姚瀚晨, 苏泽凡, 戴厚德

  目前社交机器人与目标人体并排行走（人体伴随与避障）时的运动控制策略的研究相对缺乏。为提升陪伴任务中用户的舒适度、机器人的运动柔顺度及其安全避障能力，本文提出了一种基于导纳控制的人体伴随与避障控制策略。首先，基于人机交互空间理论设计了交互力模型以构建人机动态交互关系，避免机器人侵犯目标人的亲密区域以提升目标人的舒适度；其次，将导纳控制模型与交互力模型结合，通过设置合理的导纳参数提升机器人运动控制的柔顺度；最后，引入行为动力学模型模拟人类的避障行为，以保障人体伴随任务的安全性。此外，提出了一组评价指标以验证伴随控制器的性能。根据仿真实验结果，在柔顺度方面，相较于PID法和虚拟弹簧模型（VSM）法，本方法下速度变化量分别降低69.6% 和67.1%；在舒适度方面，机器人未给目标人带来不适；在安全性方面，本方法的避障失败率仅为10%，优于人工势场（APF）法和VSM法的40% 和50%。实物实验中，机器人的柔顺度和舒适度指标均较好，避障失败率仅为5%，有效实现了安全友好的人体伴随与避障控制。

• 2R1T并联机器人滑模自适应迭代学习控制

  周博文, 张海峰, 李秦川

  针对具有两转一移自由度的并联机器人的重复性加工轨迹跟踪精度问题，提出了一种滑模－自适应－迭代学习控制方案。具体而言，采用迭代学习控制来提高轨迹控制的精度，引入滑模控制来增强控制系统的鲁棒性，并采用自适应控制来处理系统内在的不确定性，降低了滑模控制中切换项引起的振荡问题。进一步，通过Bellman-Gronwall定理与 \lambda 范数证明了控制系统的收敛性。通过设计类李雅普诺夫函数证明了控制系统的稳定性。最后，进行控制方案的数值仿真以及真机实验，验证了所提出的控制方案能够有效提升两转一移类并联机构的控制精度以及系统鲁棒性。在该控制算法下，并联机器人关节空间的平均误差、最大误差及标准差相比于PD控制方法降低了59.5%、55.1% 和60.1%。

• 基于力柔顺性的航天对接半物理仿真

  罗睿, 赵英杰, 金辉, 刘明洋, 贺云

  针对6自由度空间对接的半物理仿真中存在的动态响应慢、精度差等问题，提出了基于力柔顺性的串联机器人对接半物理仿真技术。采用重力补偿与导纳控制结合的方法，通过机器人与数学模型相结合的方式模拟真实柔顺对接运动，引入驱动延迟补偿来提高系统性能，满足精度高、自由度高、传感器融合好、动态响应快速等性能要求。实验结果表明，所提出的方法提高了机器人感知外部作用力的精确度，同时提高了力随动柔顺对接过程的动态响应速度与对接精度。

• 并联式髋关节外骨骼设计与基于人机耦合动力学方法的系统实现

  王向阳, 陈春杰, 马跃, 曹武警, 吴新宇

  同构串联式外骨骼普遍存在人体生物关节轴线与外骨骼机械关节的转动轴线发生偏移(即人机关节失配)的问题。为此, 本文提出了一款并联式髋关节外骨骼, 通过新型的结构设计消除了人机关节失配的问题和穿戴前繁琐的人机关节校对环节, 同时具有人体髋关节的所有运动自由度, 并实现髋关节屈曲/伸展和外展/内收方向的助力。另外, 为解决并联外骨骼驱动力耦合问题, 提出了基于人机耦合动力学模型的控制方法, 实现了各支链驱动器的协同助力控制。最后, 构建了可穿戴外骨骼样机系统, 在穿戴者身上开展了1类外骨骼运动性能验证实验和4类运动助力实验, 实验结果验证了所提出外骨骼与人体良好的运动相容性以及控制器助力的有效性。

• 针对全海深载人潜水器的超短基线定位校正

  熊长静, 杨波, 汪伟, 刘烨瑶, 李欣国, 潘锋

  针对全海深载人潜水器定位中, 多基元超短基线定位系统中水听器安装偏差导致的定位精度下降问题, 提出了一种定位校正方法。从超短基线定位的基本原理出发, 分析基元在x、y方向的安装偏差对定位结果解算的影响, 来提高超短基线定位精度。利用上述分析结果, 提出相位校正与Toeplitz校正相结合的校正方法, 从而提高定位精度。通过仿真和实验证明, 本文算法操作简单、易于实现、效果显著, 有效提高了定位精度。

• 基于模仿学习的眼底手术行为机器人复现

  李至, 潘越, 陈殿生, 秦雪娇, 王韫, 王俊杰

  针对现有眼底手术专家紧缺的问题, 提出了一种获取与学习医生眼底手术操作技能的方法。首先, 基于深度相机构建了手术操作行为采集平台, 对手术操作轨迹进行采集; 其次, 依据医生在不同手术阶段的操作意图, 基于隐马尔可夫模型, 实现了对医生操作技能的分割与表征; 再次, 基于模仿学习算法设计了医生手术操作学习方法, 并进一步实现了对医生手术操作的复现; 最后借助睿尔曼RM65-B机器人对相关方法进行了实验验证。结果显示, 本文的眼底手术行为模仿学习方法可有效实现手术操作技能的表征与学习, 并指导机器人完成相关手术操作。

• 肌肉协同理论在脑卒中上肢康复中的研究进展

  盛译萱, 常辉, 王志永, 曹锐凯, 刘洪海

  肌肉协同理论在脑卒中上肢康复中的应用有望为临床康复的标准化评估和干预提供新的技术手段和指导策略。本文针对基于肌肉协同理论的人体运动模块化策略, 总结了肌肉协同的数学模型和特点, 重点分析了近年来肌肉协同理论在脑卒中上肢康复中的研究现状, 主要包括运动损伤评估、康复效果评估、康复干预指导和康复机器人有效性评价4个方面。然后分析了肌肉协同理论发展所面临的挑战。最后对肌肉协同理论在临床康复应用的研究进程进行总结, 并对未来发展趋势进行展望。