基于海洋机器人的科学观测与实验系统研究现状与展望

海洋机器人具有观测范围大、作业灵活、机动性好、可控性强等突出优点,在海洋科学观测与海洋科学实验中发挥了重要作用,促进了物理海洋和海洋生物地球化学的发展。为阐明海洋机器人在海洋科学观测和实验中的应用情况,以水下滑翔机、自主水下机器人(Autonomous Underwater Vehicle,AUV)和无人帆船3种典型的观测型海洋机器人为例介绍了海洋机器人在海洋科学观测中的应用现状;以原位采样与固定、原位培养与分析海洋机器人为例介绍了海洋机器人在海洋科学实验中的应用现状;最后结合未来海洋科学研究需求,从需求牵引的角度对基于机器人的科学观测与实验系统的发展趋势进行了展望。

精密磨抛加工机器人自主重力补偿方法研究

目的 针对工业机器人磨抛加工过程需消除不同位姿条件下重力矢量对末端力感知的影响,提出一种重力补偿算法,从而精确控制三维磨削力。方法 借助安装在机器人末端的六维力传感器,读取机器人多个随机位姿下实时力和力矩信息,并基于卡尔曼滤波对传感器信息进行有效降噪;通过线性拟合算法对降噪后数据开展数值分析,计算出传感器误差、机器人世界坐标系偏移、末端负载重心大小及重心坐标等参数;根据以上参数并结合机器人当前姿态来实时消除负载重力影响。结果 采用笔者所提算法对同样静态条件下的机器人进行重力补偿,补偿后的重力影响产生的各方向力均近似为0,偏差小于0.1 N。结论 笔者所提出的算法充分考虑了重力补偿参数之间的耦合作用,能够消除重力影响,精确测量出机械臂末端六维力传感器受到的外力以及外力矩。

仿冰壶火炬传递两栖机器人的水下航行设计研究

随着科技的不断发展,机器人成为未来生活不可或缺的一部分,针对北京2022年冬奥会水下火炬传递应用的需求,设计了仿冰壶火炬传递两栖机器人。通过对机器人进行初期建模,并进行了机器人水下航行的稳定性仿真与研究,通过矢量控制方法对机器人推进器进行布局以推力分配。通过大量实验测试,将理论分析与实际数据进行对比,进行真实的水动力模型建立,并实现了机器人水下航行的稳定控制。最终,在北京2022年冬奥会上成功完成奥运史上首次机器人水下火炬接力。

桥梁检测机器人运动分析与运动规划研究

针对桥梁检测机器人对于高墩、高厚度桥梁不同部位的便捷检测需求,开展五自由度桥检机器人运动分析与运动规划研究。采用改进型D-H方法进行正向运动学建模,通过解析方法求解两种形式的运动学逆解,推导雅可比矩阵,分析机器人的奇异位型;通过蒙特卡洛方法得到机器人工作空间,确定工作空间可覆盖待检测区域;由连杆力与力矩平衡方程推导各关节受力关系,基于关节负载能力开展运动规划研究。仿真分析结果证明了方法的可行性,说明机器人能够完成预定的工作任务需求。

全海深自变形水下机器人高效运动实现机理研究

与常规水下机器人不同,全海深水下机器人面临万米的垂直剖面水深,当前全海深水下机器人的潜浮过程占据了其入水后的大部分时间,导致全海深水下机器人运动效率不高。本文通过对潜浮运动模式及低阻构形方式的分析,结合变形—变结构水下机器人的设计思想,构建了一种适应于水下水平面与垂直面的高效运动模式,提出一种面向全海深高效运动的自变形水下机器人的实现方法。在对自变形水下机器人潜浮阶段与海底直航阶段运动进行模型分析的基础上,提出基于有效工作时间的运动效率评价方法。最后结合流体仿真软件Fluent对阻力系数的辨识,对自变形水下机器人的运动效率进行评估,验证了该自变形的构形方式相较于传统回转外形构形方式在面向全海深工作环境的高效性。

基于模型预测的巷道机器人轨迹跟踪算法研究

为了解决巷道机器人高精度轨迹跟踪控制问题,提出了一种基于模型预测控制的高精度轨迹跟踪控制算法。首先,根据巷道机器人的运动学特性,建立了运动学模型;其次,基于跟踪精度和机器人的物理特性设计轨迹跟踪优化目标函数,并根据巷道机器人的物理限制和巷道环境特点需要设定轨迹跟踪控制器的边界条件;然后,选择用二次规划完成优化计算,并依托机器人本体的里程计反馈信息,完成巷道机器人轨迹跟踪控制;最后使用turtlebot3型机器人进行了实物实验,并且与基于反步法的轨迹跟踪进行了对比,结果表明所提出的方法具有更好的轨迹跟踪精度和鲁棒性。

桥梁检测轻质长臂机器人设计与试验研究

针对高墩、高厚度桥梁主梁底部表面快速、高效的检测需求,提出一种搭载在轻型移动平台上的电驱动轻质长臂机器人。通过合理的机构构型设计、结构优化设计实现了长臂机器人本体的轻量化,该机器人搭载在轻型移动平台上,可沿人行道行走,并能在桥检现场快速布置开展检测作业。实际运营公路桥梁的拍照检测试验表明:1)机器人在桥面上稳定停靠后,可通过运动规划展开到位;2)利用其末端配备的视觉检测云台,实现对主梁底部的拍照详检;3)初步验证了长臂机器人作业能力和检测功能,为未来实现大型桥梁主梁的自动化检测作业奠定基础。

自主水下机器人布放回收技术综述

对水下机器人布放回收这一领域的研究进行了综述并对未来研究进行了展望。首先分析了水下机器人布放回收的不同方式,主要可分为水面有人舰船、水面无人船、潜艇以及大型水下机器人布放回收方式。接着举出不同回收方式的国内外例证并对其优缺点进行总结。随后探讨和分析了实现布放回收所需的关键技术,包括自主对接技术、定位引导技术、锁紧定位技术及对接回收策略,并对技术现状及装备进行举例分析。最后对水下机器人布放回收的研究方向和重点进行了展望。综述表明,水下机器人布放回收的结构和所需关键技术还需持续研究,特别需要关注的是随着布放回收技术研究的不断深入,未来水下机器人布放回收系统将向自主化、无人化、通用化发展。

悬索桥机器人巡检技术研究

针对悬索桥大尺度、结构复杂、检测盲区问题,采用BIM技术对悬索桥的机器人巡检技术进行探讨。根据悬索桥结构特点、机器人特点分析了悬索桥检测要点及机器人总的巡检实施流程,研究了机器人在巡检中坐标系建立、路径规划问题,利用Matlab开展了巡检仿真模拟,通过悬索桥BIM模型获得待检区域索塔的基本信息并建立栅格地图,推演无人机、爬壁检测机器人等的合理检测路径,进而探讨了主梁及主缆的检测路径。研究表明,采用BIM技术有助于实现悬索桥多机器人检测的全局规划,可提高巡检效率和覆盖率,从而保证检测数据的完整性,是机器人巡检的必要方法。

基于同步动态优化的移动机器人最优速度规划

针对移动机器人在实际运动中受到运动极限的制约及非完整约束的影响,导致难以兼顾运动效率与执行器跟踪性能的问题,提出基于同步动态优化的速度规划方法.建立基于最优控制的速度规划方案,综合考虑机器人的车轮物理约束及车体规则约束.提取约束生成器中的1、2阶约束,根据可达性分析,通过线性规划过程,递推得到参考轨迹,为数值优化提供初始猜测.考虑约束生成器中的3阶约束,采用约束松弛方法,通过基于内点法的同步迭代优化,得到最优配速方案.通过数值及仿真实验验证了以上算法,实验结果表明,移动机器人在运动效率上可以达到车轮物理极限或车体规则极限,在执行器跟踪性能上可以将路径位置误差减小20%以上,保证了运动过程平稳光滑.

水导激光烧蚀碳化硅仿真与实验研究

目的探究碳化硅水导激光加工烧蚀机理。方法采用实验与仿真相结合的方式对碳化硅烧蚀过程进行研究分析。结果水射流持续冷却作用极大地降低了碳化硅加工过程中的热累积效应,通过烧蚀阈值计算方法得到了多脉冲水导激光烧蚀碳化硅功率阈值(约为0.1565 W),烧蚀阈值基本不随脉冲数的改变而发生波动。通过对碳化硅刻蚀形貌进行分析发现,烧蚀宽度随着脉冲数整体在3.1~4.1μm之间波动,基本不受脉冲数的影响,烧蚀深度随着脉冲数的增加而增大,但随着烧蚀深度的增加,水导激光烧蚀能力逐渐被削弱,适当增加激光功率可以抑制水导激光烧蚀能力减弱的趋势,通过较大的激光功率更易加工出深宽比较大的沟槽。确定了碳化硅烧蚀功率与烧蚀直径之间的等量关系,通过激光功率能够合理预测烧蚀宽度,经与实验结果进行对比发现较符合,这也间接说明脉冲数对于水导激光烧蚀直径不是主要影响因素。碳化硅水导激光刻蚀截面呈现倒梯形,由于水射流冲刷作用的存在,重凝物质无法富集在材料表面,使得SiC烧蚀表面与未烧蚀区域之间过渡较为平滑,沟槽侧壁带状条纹特征也证实了水射流冲刷作用的存在。结论水射流冷却及冲刷作用的存在,使得水导激光在加工硬脆性材料具有独特的优势,能够实现对硬脆性材料的无裂纹及无热影响区加工。

基于强化学习的自动化物料运输系统调度策略

为提高自动化物料运输系统生产运输效率,根据晶圆厂的混合式布局建立轨道的图网络模型,提出一种基于强化学习的动态调度策略。将调度过程划分为运输任务指派与运输路径规划两个阶段。任务指派使用基于实时交通信息的匈牙利算法求解。将运输路径规划问题表述为路径决策问题,使用基于离线策略的Q-Learning算法与玻尔兹曼探索策略构建的强化模型来求解路径决策问题。实验结果表明,所提方法可以有效提高自动化物料运输系统运输效率。

基于海洋机器人观测的高分辨率海洋环境预测方法

海洋机器人是海洋环境观测应用的重要工具。利用海洋机器人获取的稀疏观测数据,实现区域海洋环境要素空间场高分辨率预测具有重要应用需求。面向该需求,提出一种基于海洋机器人稀疏观测数据的高分辨率海洋环境预测方法。以卷积长短期记忆神经网络ConvLSTM为基础,建立数据驱动的海洋环境空间场时间序列预测模型。应用集合卡尔曼滤波方法同化海洋机器人观测数据,实现神经网络预测模型在线学习,使模型逐步逼近海洋环境状态、预测输出逐步逼近观测数据。针对大尺度海洋环境高空间分辨率预测带来的高计算复杂性问题,引入非均匀空间分辨率预测策略,有效应对计算挑战。利用水下滑翔机南海北部观测实验数据进行了区域海洋环境二维水平面温度场预测实验,结果验证了方法的有效性。

伤员运载机器人楼梯环境运动稳定性

针对伤员运载机器人在楼梯环境的运动稳定性问题,分析机器人各关节运动对机器人运动稳定性的影响,建立机器人运动学模型。结合稳定锥方法与伤员运载机器人实际结构,通过MATLAB软件计算分析重心调整机构对机器人稳定性的影响,验证机器人通过重心调整后上楼梯运动的稳定性。仿真和实验表明,伤员运载机器人的重心调整机构能够有效地调整机器人的重心,调整后的机器人能够稳定地在楼梯环境中将伤员运出。

基于救援机器人的人体关节点检测方法

为了使救援机器人在危楼环境下能够精确地检测人体关节点,以代替救援人员进入危险现场,提出了一种基于救援机器人的人体关节点检测方法。首先,通过Kinect相机获取人体关节点检测数据,采用归一化的方法对关节点数据进行平滑预处理。其次,对预处理数据加入人体关节长度约束和关节旋转角约束,从而生成每个人体关节点空间位置。最后,采用Tsai方法进行手眼标定,得到机械臂和伤员之间的距离。实验结果表明该方法在危楼救援环境下能够准确测量伤员关节点位置,验证了所提出检测方法的有效性。

一种轮腿复合型机器人的步态研究与越障性能分析

为实现地面移动机器人在复杂地形下的环境探索需求,结合轮式机器人的高速特性和足式机器人对地形适应性强的特征,提出一种轮幅型轮腿复合型机器人,并针对其在移动过程中的振动问题以及爬梯过程中的越障问题,对机器人进行步态研究及性能分析。从静力学分析中得出机器人轮腿结构以不同姿态着地时的受力情况,结合实际情况中机器人运动约束对机器人在前进、转向和越障等任务中的步态进行分析,并基于动力学仿真ADAMS软件建立动力学模型来模拟机器人不同步态下的振动情况以及越障性能。研究结果表明,结合本文提出的步态控制方法,该轮腿复合型机器人在复杂地形环境中具有较好的行进效率和越障能力。

基于时间最优的机器人位姿同步轨迹规划方法

为提高工业机器人在工作空间的运行效率,提出了一种在笛卡尔空间实现位姿同步的时间最优轨迹规划方法。该方法采用三次均匀B样条曲线对机器人末端路径点进行位姿同步的路径插值;以减小运动时间为优化目标,在满足关节运动学约束的条件下,采用线性规划对离散后的笛卡尔空间参数化轨迹进行逆向与正向递推,求解路径参数的相平面图。基于路径参数的相平面图,通过雅可比矩阵计算关节速度进行时间最优速度规划。针对所提方法进行实验验证,结果表明该方法在满足机器人实际运动性能的前提下达到了时间最优。

基于能量的蛇形机器人蜿蜒运动控制方法的仿真与实验研究

能量作为最基本的物理量之一,联系着蛇形机器人蜿蜒运动的各个方面.能量耗散描述了环境交互作用,能量转换对应着运动的动力学过程,能量平衡反映了蜿蜒运动的协调性.提出一种基于能量的蛇形机器人蜿蜒运动控制方法被动蜿蜒.通过输出关节力矩控制机器人蜿蜒运动,由机器人的能量状态调整力矩的大小.仿真结果显示了被动蜿蜒控制下机器人的构形、角度、力矩、能量状态和转弯特性,并对控制力矩进行了递归分析.基于Optotrak运动测量系统构建了被动蜿蜒控制的模拟/物理混合实验系统.进行了移动实验和拖动实验,前者改变环境的摩擦特性,后者改变机器人的负载.仿真和实验验证了蛇形机器人被动蜿蜒控制的有效性和适应性.

空地机器人协作导航方法与实验研究

飞行机器人和地面移动机器人所具有的功能互补性使得通过二者间的协作执行使命具有明显的优越性,这对于提高移动机器人使命完成度具有重要的作用.因此,空地机器人协作近年越来越受到研究人员的重视.空地机器人协作的一个重要工作模式是通过飞行机器人的大范围环境感知能力为地面机器人提供导航信息.针对该问题,首先讨论了利用机载视觉传感信息实现地面环境建模(主要是地面障碍物)及地面机器人识别方法;然后,利用波门跟踪算法实现了对地面移动机器人的运动跟踪;最后,提出了空地机器人协作策略;最后,搭建了室内试验平台,进行了实验验证.

水导激光加工CFRP质量和效率实验研究

为实现碳纤维增强复合材料的高质高效切割,采用水导激光加工技术对CFRP进行微槽加工,通过正交实验法、单因素实验法研究了激光功率、扫描速度和扫描路径重叠率对热影响区宽度和材料去除率的影响规律,并以此为目标进行了优化。结果表明:激光功率、扫描路径重叠率对热影响区宽度和材料去除率的影响显著;当激光功率35 W、扫描速度4 mm/s和扫描路径重叠率40%时,热影响区宽度为184.484μm,材料去除率为0.068 mm ^(3)/s,能获得较小的热影响区宽度和较高的加工效率。