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。

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。

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。

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。

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。

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.

旋翼飞行机器人系统建模与主动模型控制理论及实验研究

为解决旋翼飞行机器人全包线飞行中的参考模型辨识问题和由飞行模态转换、内外部扰动,以及动力学时变所产生的模型失配问题,并消除模型失配对基于参考模型所设计的飞行控制器造成的跟踪性能的影响,本文提出了基于悬停参考模型的系统辨识和主动模型的在线控制策略.通过改进的频域辨识方法和半解耦的简化模型结构,在悬停模态下进行模型拟合和全包线飞行的模型差分析,然后结合自适应集员估计(Adaptive set-membership filter,ASMF)方法提出模型差的在线估计和控制补偿策略来应对统计学未知且有界(Unknown but bounded,UBB)的模型差,以此消除上述模型失配对名义控制器理想条件的破坏所造成的控制性能降低.最后,通过在ServoHeli-40旋翼飞行机器人平台的实际飞行对比实验,验证了所提出方法的有效性和现实可行性.

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。

融合GMM和PSO的储罐超声检测机器人避障研究

为实现储油罐内机器人自主检测技术,需要克服机器人自主应对复杂储罐底部环境的难点,提出基于融合改进的高斯混合模型和粒子群算法的移动机器人障碍位置记忆和局部避障算法FGMM-PSO,使机器人具有环境自适应能力、泛化障碍记录能力和自主避障能力。通过webots机器人仿真环境平台建立环境参数与机构关联模型,模拟了机器人在油罐内的避障移动,结果表明,FGMM-PSO算法能够使机器人完成油罐内自主障碍记忆和避障任务,进而令机器人克服复杂储罐底部环境进行检测成为可能。

基于机器学习的注意力缺陷多动障碍风险预测研究

目的探讨基于机器学习算法对儿童注意力缺陷多动障碍(ADHD)预测的可行性。方法回顾性分析我院于2022年11月至2023年8月儿科门诊就诊患者358例,其中ADHD患儿119例,非ADHD患儿239例,以人口学基本信息、儿童个人生活情况、母亲孕期情况、家庭生活情况及遗传因素等31个变量作为危险因素,采用单因素分析筛选出具有明显差异的变量,然后分别建立决策树模型、随机森林模型、自适应提升算法及K近邻算法模型,采用受试者工作特征(ROC)曲线的面积(AUC)、特异度、准确性、F1分数及ROC曲线等进行模型预测效能评估。结果4种机器学习算法建立的ADHD的预测模型以随机森林算法最优,其AUC为0.955,特异度、准确性、F1分值分别为0.903、0.898、0.853;同时,根据随机森林模型筛选出的前五位特征变量为:教育方式、情绪稳定情况、每日看电子产品时长、学习困难情况、近期反复呼吸道感染。结论初步构建出基于机器学习算法建立儿童ADHD的预测模型,该模型对ADHD有良好的预测能力。

基于AC-BiLSTM的自主水下机器人早期故障诊断研究

针对自主水下机器人(AUV)在航行中产生的早期微小故障及缓变风险,对大量时序数据进行挖掘分析,提出了一种基于混合模型和时间注意力机制的端到端AUV早期故障诊断方法(AC-BiLSTM)。该方法首先通过包含局部特征提取模块的混合模型结构对AUV故障类型与多维监测数据之间的非线性关系进行学习,然后嵌入时间注意力机制提取早期故障的关键时间特征。为了验证算法的有效性,以“潜龙二号”AUV实航数据进行试验,试验分析结果证明该方法在不均衡数据集下识别AUV早期微弱故障的可行性和优越性。

工业机器人故障诊断与健康预测方法研究

工业机器人被称为“制造业皇冠顶端的明珠”,是智能制造领域最具代表性的装备。工业机器人的故障及精度退化问题突出,严重影响企业的安全生产和经济效益。为此,工业机器人故障诊断与健康预测方法逐渐成为研究热点。本文首先简要介绍了工业机器人的系统构成,并分析了其核心部件的典型失效模式;其次,从知识驱动和数据驱动两个维度出发,综述工业机器人故障诊断方法;然后,在组件级和系统级层面综述了工业机器人性能退化监测及剩余使用寿命估计方法;最后,对工业机器人故障诊断及健康预测方法的未来发展趋势进行了展望,指出大数据环境下的工业机器人智能诊断将是未来的技术发展趋势。

基于云边自动化的工业控制系统关键技术及前景展望

本文探讨了基于云边自动化的工业控制系统的关键技术和未来发展前景。随着网络技术和人工智能的发展,工业控制系统正在从传统的分层、封闭架构向开放、平台化架构转变。云边自动化结合了云计算和边缘计算,优化了通信效率、系统灵活性和资源利用率。本文还讨论了虚拟化技术、网算控互动机制、新一代通信技术等方面的挑战和解决方案。最后,本文展望了云边自动化在设计制造一体化、IT/OT融合等领域的应用前景。

六轮摇臂移动机器人结构设计与越障动力学研究

为提高移动机器人在复杂地形环境中的越障性能,提出一种被动式越障的六轮摇臂移动机器人。针对爬台阶问题对机器人的越障性能进行研究,从几何条件分析得到机器人不发生底盘托底现象时结构参数与越障高度之间的关系,并分析机器人的关键越障过程,建立了前轮、中轮、后轮的越障动力学模型,根据动力学模型分析机器人速度、加速度、附着系数以及重心位置等因素对轮毂电机输出转矩的影响。基于样机实验与ADAMS仿真软件验证了机器人的通过能力,并得到了机器人轮毂电机的输出转矩曲线,指导电机选型。研究结果表明,针对爬台阶问题,该机器人具有良好的通过能力,为提高机器人在复杂地形中的越障性能提供了设计参考。