机器人杂志

机器人杂志2025年第1期

• 基于形状分析和概率推理的机器人抓取技术

  许振邦, 张平, 曾鸿亮, 孙迪钢

  抓取异形物体任务中，因物体形状结构复杂多样，搬运物体时可能发生晃动脱落的问题。针对上述问题，本文提出基于形状分析和概率推理的机器人抓取技术。首先，分析物体点云的分散性和平整度，生成候选抓取位姿集合；其次，在仿真场景中，定性分析物体晃动脱落的影响因素，在仿真中统计成功完成抓取和旋转平移实验的次数，使用条件期望定量分析法推理抓取位姿的稳定性，训练PointNet鉴别器来评估候选抓取位姿并对其排序；最后以最佳抓取位姿完成抓取。实验结果表明，该方法能解决异形物体在抓取搬运过程中发生晃动脱落的问题。与基准方法相比，抓取平均成功率为89.2%，提升2.6%；搬运的平均稳定性达到84.2%，提升22.7%。该方法能够在多物体堆叠场景中智能抓取物体，保持抓取搬运操作的稳定性，形成合理抓取顺序。

• 目标位置引导的五指灵巧手手内重定向

  张玲俊, 汤亮, 刘磊

  重定向是指将物体旋转至期望姿态，其中，将物体从任意初始姿态旋转到任意期望姿态是最具挑战性的场景。为引导不同驱动自由度的五指拟人灵巧手以更加类人的方式高效完成手内重定向任务，提出了一种目标位置引导的手内物体重定向策略生成方法。首先，受人手在手内重定向过程中操作特性的启发，并根据五指拟人灵巧手驱动自由度的分布特性，提出了一种设计目标位置的可行原则。将重定向过程中物体实际位置与目标位置的差值作为即时奖励的一部分，以引导五指拟人灵巧手将物体保持在目标位置附近。其次，受人手在准备执行重定向任务前预备状态的启发，设计了一种在每次状态重置时采样五指拟人灵巧手关节位置的方法，以提高操控能力；最后，采用基于长短期记忆（LSTM）网络与非对称演员－评论家架构的近端策略优化（PPO）算法训练重定向策略。仿真结果表明，所提出的方法使9驱动自由度雄克SVH灵巧手、13驱动自由度BICE（北京控制工程研究所）灵巧手和18驱动自由度Shadow灵巧手在执行重定向操作时，均能逼近预设的最大连续成功次数。此外，相较于不包含目标位置引导的手内物体重定向方法，所提出的方法有效降低了完成重定向任务所需的平均步数。综上所述，所提出的方法使得具有不同驱动自由度的五指拟人灵巧手能够通过手掌和手指的协同作用，以类人的方式高效完成物体重定向任务，显著提升了操作效率。

• 基于可调双稳态机构的刚柔耦合多模态抓手

  项升, 张炜, 韦中, 杨扬, 孙聪, 刘振

  现有双稳态抓手通常只有单一的抓取、锁定和释放目标物体的工作模式，限制了其应用的灵活性。为此，本文提出了一种基于可调双稳态机构的刚柔耦合多模态抓手。抓手的夹持表面为弹性带，通过带的包裹可以被动适应不同外形的抓取物。支持夹持表面的手指骨架为刚性连杆组成的可调双稳态机构，其通过弹性圈进行储能。抓手还具有一根由离合器控制的主动绳索，可对弹性带进行能量调节。通过协调控制双稳态机构和主动绳索可调节抓手的能量，抓手具有触发跳变关闭、可控抓取和物体弹射等不同工作模态。建立了抓手触发力的解析模型，并通过动力学仿真和实验对设计参数进行分析，优化选取了弹性元件的刚度和自由长度。在不同工作模态下进行了样机实验，实验结果表明从初始状态切换到触发状态时触发力的调节范围为0.1~1.1 N，对直径30 mm、质量10 g的圆柱体的水平弹射距离可达3.35 m。

• 基于姿态解算的外肢体手指抓取增强量化分析和优化设计

  刘源, 闫哲, 葛瑞鹏, 程迁, 明东

  外肢体手指是一种通过为人体增加额外的肢体实现运动增强的可穿戴机器人，但目前抓取增强效果有限。针对此问题，研究了基于外肢体手指和人手位姿的最大可抓取球体解算方法，通过对外肢体手指的量化分析，对其进行优化设计，从而增强抓取能力。首先，构建了人手和外肢体手指的D-H（Denavit-Hartenberg）运动学模型，使用蒙特卡洛法得到人手和外肢体手指位姿库，并基于该库提出一种半包络稳定抓取球体的解析方法。然后，基于外肢体手指与人手能够抓取的球体的最大半径定义并量化了外肢体手指的抓取增强能力，并基于该能力对外肢体在3个穿戴位置处的杆长尺寸进行优化。最后，根据受试者手部尺寸及3个穿戴位置处在优化前后的杆长系数，搭建了外肢体手指样机，并对半径2~12 cm的球体进行了抓取实验。实验结果表明，杆长系数优化后，3个穿戴位置处的抓取能力分别增强了42.4%、38.5%和7.91%，证明了解算方法的正确性和有效性。

• 基于多维度视觉约束的床椅机器人SLAM

  李秀智, 邓向军, 韩红桂, 杜博文

  为了应对楼宇环境中的低纹理和动态场景给机器人定位带来的巨大挑战，提出了一种面向楼宇结构化场景的多源数据融合定位方法。通过合理引入多基元视觉特征、曼哈顿世界假设约束以及惯性测量单元（IMU）预积分约束，本文定位系统能有效克服智能床椅机器人在工作时遇到的特征稀疏、动态人员干扰等问题。本文总体采用高频前端位姿估计和低频后端优化的并行策略来提高系统实时性。前端里程计在短时间内提供相对准确的位姿估计，而后端优化则利用曼哈顿假设对位姿估计进行进一步优化。同时针对曼哈顿世界假设在位姿估计应用中的局限性，创新性地提出使用多相机联合定位的策略。利用两个不同朝向的相机，分别捕捉地面丰富的纹理特征以及满足曼哈顿世界假设的上层空间中的平面，有效排除了非曼哈顿世界假设物体对定位的影响。实验结果表明，与现有方法相比，本方法在保证实时性的同时，显著提高了定位准确性和鲁棒性，为智能移动床椅机器人在楼宇环境中的应用提供了有力的支持。

• 面向机器人交互识别的抗干扰多模态柔性电子皮肤

  彭欢, 熊鹏文, 张宇, 洪金华, 徐健宁, 宋爱国

  传统的阵列式机器人触觉感知系统存在界面柔性不够以及阵列密度与刷新频率相矛盾的问题，难以广泛应用。为了提高机器人的触觉感知效率，受人体皮肤结构的启发，提出了一种多模态柔性电子皮肤，并开展其在机器人物体识别及抗磁场干扰方面的研究。首次将混有磁粉的硅胶与分布式柔性触觉传感阵列集成为多模态力触觉感知层，在时间和空间域同步感知触觉信息和力触觉阵列信息，解决传统触觉感知系统时空弱配对的问题。构建了基于CNN-SVM-MLP（卷积神经网络－支持向量机－多层感知器）的多模态融合算法，实现对多模态触觉信息的高效融合，基于此构建机器人物体识别框架，实现交互物体的精准识别。对非磁性物体和磁性物体进行了交互实验及分析，结果表明提出的多模态柔性电子皮肤可以有效提高磁性触觉传感器的抗磁场干扰能力，实现24种物体的精准识别，且准确率达到99.42%。

• 基于对比学习的水下图像增强和检测方法

  张帆, 黄丹, 丁璐, 王勇, 宋磊

  水下图像因存在色彩失真和细节损失，严重影响了水下机器人的视觉感知能力。为实现图像增强，同时提高检测精度，提出了一种基于对比学习的水下图像增强与目标检测多任务学习框架，既生成视觉友好图像，又提高目标检测精度，实现面向目标检测任务的图像增强。针对目标纹理特征不清晰的问题，通过检测任务的区域生成模块构建对比学习的正负图像块，保证目标区域与原始图像在特征空间更加接近，同时利用检测的梯度信息引导图像增强朝着有利于目标检测的方向进行。此外，通过基于循环生成式对抗网络的图像翻译方法来学习并保留清晰图像特征实现图像增强，不需要成对的水下图像，降低了对数据的要求。最后，在EUVP、U45和UIEB数据集上进行了增强算法验证，在RUOD、URPC2020和RUIE数据集上进行了检测算法验证。实验结果表明，本文算法在主观视觉上可以有效修正颜色失真问题，同时保留了原始图像及目标的结构纹理；在客观指标上，峰值信噪比达到24.57 dB，结构相似度达到0.88。图像增强后在Faster R-CNN和YOLOv7算法上检测精度平均提升了2%。

• 扑翼飞行器的变幅飞行策略的设计与实现

  张良, 何修宇, 王者奇, 贺威

  自然界的鸟类在面对不断变化的气流条件时，会主动调整翅膀的扑动幅度来提升飞行效率。本文模仿这一行为（变幅飞行）设计了扑翼飞行器，并提出了一种基于电机闭环控制的变幅飞行策略。首先考虑电机的动力学模型以及翅膀运动的动态特性，建立翅膀扑动角度的闭环模型，设计控制器实现对翅膀扑动角度的精确控制。在此基础上，设计了包含滑翔飞行功能的变幅飞行策略，并通过数值仿真验证了策略的有效性。给出了一种适用于多种中大型扑翼飞行机器人的解决方案实现变幅飞行策略的实际应用，该方案以仿猎鹰扑翼飞行器作为基础平台，添加了采集翅膀扑动角度的传感器以及用于运行变幅飞行控制算法的Falcon 2.0飞控板。改进后平台总质量增加不到30 g。地面实验结果显示，翅膀可以在0.2 s内达到滑翔指定角度，也可以进行扑频在1~4 Hz的变幅飞行；地面转台实验表明该策略可以进一步提升气流利用效率，升力较传统周期扑动方式提升了14.7%。飞行试验表明，飞行器能够在0.5 s内实现稳定滑翔，也可进行频率2~3 Hz的变幅飞行，充分验证了所提出的变幅飞行策略的有效性。本文设计的变幅飞行策略提升了扑翼飞行器翅膀扑动的自由度，为扑翼飞行器的性能优化和实际应用提供了有效的解决方案。

• 基于高阶控制障碍函数的多固定翼无人机鲁棒避障安全编队跟踪控制

  付俊杰, 林潇坤, 温广辉

  在多固定翼无人机编队跟踪控制问题中，系统地处理输入饱和约束、外界输入扰动以及无人机间避碰安全约束存在着挑战。针对这些挑战，本文提出了一种基于高阶控制障碍函数方法的分布式鲁棒避障协同编队控制律。首先，在不考虑避障约束的情况下，设计了一种满足输入和速度约束的多固定翼无人机标称鲁棒编队跟踪控制律。该标称控制律基于滑模控制方法，能够在有界输入扰动影响下实现精准的编队跟踪控制。然后，针对无人机之间的避障要求以及无人机与障碍物之间的避障要求，分别设计了考虑输入约束的改进高阶控制障碍函数，并基于不变集理论，推导了存在外界输入扰动情况下的线性控制输入避障约束条件。最后，基于标称编队跟踪控制律和鲁棒控制输入避障约束条件，为各固定翼无人机构造了一个局部二次规划问题，并通过求解该问题得到最终的鲁棒避障安全编队跟踪控制律。仿真实例表明，本文设计的控制律相较于不考虑外界输入扰动的控制律而言可以有效地处理扰动，相较于基于势函数方法的控制律而言减轻了系统产生的震颤并且更好地处理了无人机的速度约束，相较于基于分布式MPC（模型预测控制）方法的控制律而言在计算时间方面有了显著提升。上述结果验证了所设计控制律的创新性和有效性。

• 基于多特征几何基元约束的轻量化激光雷达里程计方法

  刘慧, 张璇, 沈亚运, 沈跃

  针对基于线面特征的激光雷达里程计算法易导致表面特征信息的冗余表述、增加计算复杂度的问题，提出一种基于水平扫描线段结构的轻量化激光雷达里程计构建方法。首先通过分析激光点云扫描线几何结构，将点云特征分为线段特征、边特征和离散特征，分别表示3维点云中物体的平面信息、边界信息和空间分布信息，以线段表示平面降低特征数量；然后基于历史位姿，采用运动估计方式获取初始位姿，通过非迭代的两步加权位姿估计算法进行特征配准与位姿解算；最后以提取关键帧方式存储点云，避免因点云地图过大造成匹配延时。在KITTI数据集和自研数据集上的实验表明，与现有的开源LOAM（LiDAR odometry and mapping）系列算法相比，本文算法在实现高精度稳定定位的基础上运行效率显著提升，且绝对轨迹误差抑制效果较好。

• 面向换热管检测的抓握式管板攀爬机器人设计与实现

  全鹏, 伍剑波, 颜荣, 沈川, 罗阳, 魏巍, 杨文辉, 李沛远

  针对换热管多规格自动检测的需求，提出了一种全新的抓握式管板攀爬机器人GTCBot。首先，基于多规格大面积管板的地图特征和三趾啄木鸟的攀爬运动机理，设计出一种适应不同规格管板的自锁爬行脚机器人，并建立静力学模型开展受力分析，完成机器人运行中的载荷评估。为了提高换热管扫查效率，提出了笛卡儿坐标系和柱坐标系的混合定位扫查方法，构建运动学模型对机器人的工作空间开展分析及验证。为了保障控制系统稳定运行，采用FreeRTOS嵌入式实时操作系统对机器人运行中的各个任务进行调度协调。在此基础上，研制出抓握式管板攀爬机器人的物理原型样机，分别开展了室内实验和现场应用测试，测试结果证明机器人具有抓握自锁性、高机动性、高适应性。

• 磁吸附爬壁机器人研究进展及其应用探索

  李安, 陶波, 丁汉

  基于磁吸附原理的爬壁机器人可在大型钢质结构体表面执行3维移动作业，完成复杂高空场景下的制造任务。本文综述了磁吸附爬壁机器人在吸附原理、功能设计、自主导航和应用场景等方面的最新研究进展。首先，介绍了以永磁、电励磁、电永磁、混合励磁为代表的4种典型励磁原理，探究了基于不同励磁原理的磁吸附单元设计方法。其次，按照结构设计的功能性划分，分别综述了现有磁吸附爬壁机器人在运动机制、越障功能、曲面适应和壁面过渡等方面的设计方法。然后，介绍了磁吸附爬壁机器人在3维空间中的自主导航与运动控制技术，包括感知定位、运动规划与控制技术。最后，归纳总结了磁吸附爬壁机器人在多种铁磁性作业场景中的应用现状，展望了磁吸附爬壁机器人关键技术的未来发展趋势。