软体机器人驱动技术研究进展

软体机器人是一类新型仿生机器人,具有环境适应性强、运动灵活和本体柔软性等突出优点,在空间探索、灾害救援、医疗健康等诸多领域拥有广泛的应用前景。软体机器人主要由柔性本体材料和智能驱动/传感材料构成。聚焦软体机器人的驱动技术,首先介绍了以气/液流体弹性体材料为主体的流体驱动模式;然后,对气液相共同作用下的混合气液驱动技术进行介绍;接着,围绕现有研究较广泛的电驱动技术,重点分析了电动液压技术在软体机器人领域的最新进展及应用;最后,对电/磁/光/热驱动技术及其典型应用进行了分析和讨论;同时对未来软体机器人发展所面临的困难与机遇进行了展望。

基于智能驱动材料的水下仿生机器人发展综述

经过漫长的自然选择,水生生物已进化出独特的结构和运动模式,在水下生存具有得天独厚的优势。研究水生生物的运动方式并加以模仿,同时将智能驱动材料应用于水下仿生机器人的结构和运动设计是目前水下仿生机器人的研究热点之一。结合水生生物和智能驱动材料的优点,使得采用智能驱动材料设计的水下仿生机器人更易小型化、机动性更高,可进行连续柔性运动,从而实现在水下的复杂动作,相较传统驱动方式具有显著优势。文中介绍了几种典型水生生物的运动机理,比较了4种典型智能材料性能指标及其优缺点,在此基础上综述了现有3种模仿水生生物推进方式的采用智能驱动材料设计的水下仿生机器人及其结构主要特点,并对其运动效率进行了分析和比较,指出了未来水下仿生机器人的发展需要解决的一些关键问题。

软体机器人建模与控制技术研究进展

由于软体机器人具有超高冗余、大变形以及非线性等特点,如何精准控制软体机器人实现预期目标的抓取和操作,一直以来都是研究人员广泛关注的问题。本文根据是否建立机器人数学模型、是否采用传感器反馈以及采用何种控制算法将现有软体机器人控制技术划分为基于模型的控制与无模型控制、开环控制与闭环控制、经典控制与智能控制3个类别,分别阐述软体机器人在建模、反馈以及控制算法方面的研究现状并进行归纳总结。最后,讨论了软体机器人控制技术面临的问题和挑战,并对未来软体机器人控制技术的发展进行了展望。

高速轻型SCARA机器人的机械结构及控制系统研究进展

为了满足小型工业产品高速、精确、稳定的抓取、装配等使用要求,SCARA机器人应运而生。首先从SCARA机器人构型原理出发,分别从驱动布置方式、零部件优化以及动力学分析等角度,详细地阐述SCARA机器人本体的研究现状,然后从SCARA机器人的控制策略出发,分别从运动学分析、参数辨识以及控制方法等角度,阐述SCARA机器人控制系统的发展趋势,并且指出未来SCARA机器人的发展需要解决的一些关键问题。

助老服务机器人多模式友好交互系统设计与实现

交互系统是服务机器人与人交流互动的基础。采用实感3D相机作为传感器,研发了一款助老服务机器人多模式交互系统,主要实现基于人脸识别的用户注册与验证、基于手势识别和语音识别的新闻点播、日程提醒等。实验测试表明,人脸识别准确率达到93%,手势识别准确率达到72%,语音识别准确率达到90%。该交互系统具有交互友好、不依赖网络、识别速度快等优点,与全向移动机器人平台集成,可以为空巢老人提供一款交互友好的多功能低成本助老服务机器人。

一种基于Voronoi_Obstacle场的移动机器人路径规划算法

传统Voronoi场计算复杂度高,计算时间长,在空间变大、毛刺增多、栅格变密等情况下,基于Voronoi图的传统路径规划计算缓慢。为此提出了一种基于Voronoi_Obstacle场的移动机器人路径规划算法,采用分层思想构建Voronoi_Obstacle场,并使用启发式搜索算法规划路径。实验结果表明,Voronoi_Obstacle场比传统Voronoi场的复杂度降低O(n^(0.5)),且基于Voronoi_Obstacle场的路径规划时间比传统的基于Voronoi图的路径规划时间缩短34.53%,比改进的基于Voronoi图的路径规划时间缩短31.76%。研究结果表明,基于Voronoi_Obstacle场的移动机器人路径规划算法具有一定的可行性和优越性。

基于生成对抗网络的无人机博弈对抗技术

针对无人机(UAV)对抗环境,研究了基于生成对抗网络(GAN)的无人机博弈对抗技术。首先,确立了无人机智能体的六自由度模型及动作生成框架;然后,针对无人机对抗环境下的态势信息的缺失,给出了相应的态势信息重建算法;最后,针对无人机博弈对抗决策问题,提出了基于生成对抗网络的博弈对抗决策生成方法。

基于动态特征剔除的图像与点云融合的机器人位姿估计方法

针对动态物体影响传感器进行机器人位姿估计的问题,本文提出了一种基于动态特征剔除点云与图像融合的位姿估计方法。首先,YOLOv4和PointRCNN分别被用于识别图像和点云中的潜在运动目标并提取候选框。其次,在视觉定位方面,双目视觉与稀疏光流被用于路标点的构建与追踪,并根据候选框剔除动态特征点,随后构建重投影误差函数,通过基于RANSAC剔除的非线性优化方法求解相机位姿;在激光定位方面,提取前后帧的直线与平面特征点,并根据候选框进行筛选,基于特征点到直线或平面的距离构建误差函数,进而求解激光雷达位姿。为使系统不再局限于单一传感器的使用环境限制,通过自适应加权方法,有效融合了两种位姿结果。最后,通过KITTI数据集和动态场景采集的数据进行定量实验对比,验证了剔除动态特征后的位姿估计的精确性以及融合算法的有效性。

基于室内结构特征的二维激光雷达与相机标定方法

针对激光雷达与相机数据融合问题,提出了一种基于室内结构特征的二维激光雷达和彩色相机之间的标定方法.该方法利用室内场景的柱特征,根据点在线上的位置关系推导激光雷达与相机坐标系间的投影矩阵方程.采用Canny算子和Hough变换提取墙角图像中直线特征,利用RANSAC方法拟合点云中的角点特征.通过奇异值分解法求解投影矩阵,在剔除重投影误差较大的点线特征数据后,进一步优化标定结果.实验结果表明:采用优化后的投影矩阵,柱子特征点的平均重投影误差从0.3755个像素降低至0.0459个像素.与两步标定法相比本文提出的算法具有更好的重投影效果.同时该方法不需要特定的标定物体,仅用较少的时间即可实现较高的投影精度.

基于变胞机构的移动机器人构型设计研究综述

基于传统机构设计的移动机器人,由于机构运动关系相对固定、配置形式单一,难以在复杂地形中快速通行。变胞机构是一种全新的机构组合形式,在瞬时能使某些构件发生合并和分离,使机构有效构件数或自由度数发生变化,具有较强的环境适应性。变胞机构设计的移动机器人可以将速度、灵活性和稳定性集于一体,实现移动机器人在复杂环境中的快速移动。本文针对变胞机构及其移动机器人的构型设计、运动原理、驱动方式及空间配置进行了综述,归纳了现有基于变胞机构的移动机器人所面临的关键问题和技术进展,并对变胞机器人的未来发展方向进行了展望,为变胞移动机器人的发展提供参考。

聚氯乙烯电活性凝胶材料研究进展

聚氯乙烯(PVC)凝胶是一种典型的电活性凝胶材料,与其他同类刺激响应材料相比,PVC凝胶可以在无水环境下工作,驱动电压中等且应变高、应力大、响应速度快,具有较好的发展潜力。文中从PVC凝胶材料的组成与制备工艺、变形机理、性能优化以及应用研究等方面入手,详细介绍了PVC凝胶材料的组成、制备方法及变形机理,并对相关掺杂工艺和方法进行了深入探讨,同时结合PVC凝胶的驱动特性,阐述其在辅助康复、触觉感知、微透镜等领域的研究应用进展,并对其未来发展趋势进行了展望。

PUR热熔胶辊涂用加热辊的设计与优化

为了更好地将PUR热熔胶辊涂到板材表面,设计了一种辊涂机加热辊的内部螺旋流道结构,并利用FLUENT软件对其进行流固耦合分析,探究了影响辊面温度分布的因素。结果表明,流道的长宽比对辊面温度影响较大,其余因素对其影响很小,基本可以忽略不计。

MWCNT/Nafion/MWCNT复合材料的湿度传感性能研究

为了满足工农业湿度检测的需求,开发新型湿度传感器至关重要。作为湿度传感器的关键部件,湿敏材料的选择直接影响着传感器的使用性能。离子聚合物-金属复合材料(Ionic polymer-metal-composite,IPMC)可制成一种新型柔性传感器,在外界动态湿度作用下,离子聚合物内部的可移动离子将产生定向迁移,形成电势差,从而产生电信号。由于其出色的湿敏特性,IPMC传感器在环境湿度精密监测领域引起了越来越多的关注。但现有离子聚合物复合材料的电极层过于致密,导致复合材料芯层难以与外界环境迅速进行湿度交换;另外,电极层和芯层之间弱的粘附力,导致电极容易脱落。为了解决电极层过于致密的问题,本研究选用多壁碳纳米管(MWCNT)、聚偏氟乙烯(PVDF-HFP)和离子液体(ILs)浇铸具有微孔结构的复合电极层,以提高复合材料芯层与外界环境的湿度交换能力;同时在热压成型过程中,具有离子传输能力的粘结剂被使用在电极层和电解质芯层之间,以增强电极和芯层之间的结合强度。本工作采用溶液铸膜法制备了多壁碳纳米管/聚偏氟乙烯/离子液体(MWCNT/PVDF-HFP/ILs)电极层和全氟磺酸-聚四氟乙烯/离子液体(Nafion/ILs)电解质层,并经叠层热压获得了具有湿敏特性的MWCNT/Nafion/MWCNT复合膜,借助扫描电子显微镜(SEM)、循环伏安曲线(CV)以及电化学阻抗(EIS)等手段表征了复合膜的微观形貌和电化学特性,进一步研究了该复合膜在不同湿度环境下的湿度-电压响应特性、湿敏性能及湿敏机理。研究结果表明:当相对湿度介于0%RH~100%RH时,该湿度传感膜的最快响应时间和恢复时间分别为17 s和58 s,电响应的灵敏度为0.14 mV/%RH,响应速率高达0.277 mV/s。最后,本研究对湿度传感膜在呼吸监测、大坝渗水监测等场合的潜在应用进行了探讨。

一种腿轮结合的助行器设计及仿真

针对现有下肢康复助行器存在的使用时需反复抬起而造成的费时费力和对不平坦的地形适应力较差等缺陷,提出了一种内置动力系统的腿轮结合的康复助行器设计方案。该方案通过前腿后轮的设计,利用前侧腿部与地面的摩擦力以及助行器腿部的自锁能力,带动后轮向前运动,从而可以使康复助行器具备一定的爬坡能力,对不平坦的地面有更强的适应性。设计了助行器总体结构,确定了传动方式及各主要部件尺寸参数,并对行走过程中机构各极限位置进行理论分析和计算。利用SOLIDWORKS建立模型,对关键部件强度进行静力学分析,最后利用ADAMS软件建立运动模型,设定实验参数进行仿真分析,得出运动时的速度、加速度、步距等参数,测量实物样机运动过程中的数据,将仿真出的结果与实验数据进行对比,验证了设计方案的可行性。

电动汽车低速提示音系统测试分析

以某型电动汽车低速提示音系统为研究对象,依据GB/T 37153-2018《电动汽车低速提示音》对其进行车辆初始状态下的测试,得到试验车辆在低速行驶并且开启低速提示音时的有关数据,通过低速提示音测试分析得出初始状态下其车外声级难以满足标准要求。依据声音传递路径有关理论,分别设计并进行更改音源位置试验和护板开孔试验,试验结果表明在车前舱范围内改变音源位置对低速提示音无明显影响,而对汽车护板进行开孔处理后,车外各测点在各工况下的1/3倍频程声级均满足标准中的规定,因此底护板开孔操作能提高低速提示音对车外人员的影响程度。研究结果对电动汽车低速提示音系统的改进以及车辆低速行驶时的行车安全有积极意义。

城市噪声污染及监测方法综述

噪声会导致一些短期和长期的健康问题,例如睡眠障碍、心血管效应、精神状态差、听力障碍等,进而影响人们的日常生活与工作。为了解、认识城市噪声污染来源、时空演化规律,研究人员及相关机构提出了相应的监测方法与监测系统,主要为在特定地点布置监测点,这种方法及系统存在局限性,即难以大范围的刻画城市的噪声时空分布规律。移动式监测系统操作方便,部署灵活,能够较好的改善监测效果。介绍并比较了目前常见的专用监测系统,基于WSN的监测系统以及基于智能手机的监测系统,并展望了移动式智能监测系统的发展方向。

一种复杂环境高机动性轮式移动平台

移动机器人在星球探测,户外侦查,灾难搜救,以及军事等领域有着广阔的应用前景。为了设计一款能代替人类在复杂环境进行作业的小型高速移动机器人,侧重于横向非结构地形,提出了一种拥有被动悬架的轮式移动平台,对其结构进行了三维建模,对越障结构和减震系统进行了力学计算,为评估其越障性能进行了动力学仿真,为其动力系统和控制系统进行了选型和配置,组装一代样机并进行了实验。实验结果表明该样机能够较好地适应横向地形。

海洋工程低空安全风险与防护

海洋工程是开发、利用、保护、恢复海洋资源的工程结构与设施,其中跨海桥梁与海上钻井平台在近年发展尤其迅速。海域低空防护是保障它们安全的重要措施。围绕跨海桥梁与海上钻井平台为典型的重大海洋工程结构遭受无人机攻击的风险,分析了海洋工程结构应对低空安全的方法与技术,包括危险目标的辨识与反击,讨论了相关法律法规的建设。最后,结合人工智能的发展,阐述了人工智能在海洋工程的低空安全中的应用。

Nafion基体孔隙微结构的制备方法及其对IPMC电致驱动性能的影响研究进展

基于离子聚合物金属复合材料(IPMC)的“电能+化学能+机械能”原位驱动模式兼具驱动、传感的功能特性,具备常规刚性材料“电机驱动+机械传动”模式所不可替代的独特优势。针对原位驱动输出力不足、性能不稳定等问题,文中从分析IPMC性能提升的本质入手,综述了其电致驱动机理,阐述了利用超饱和气体法、微粒溶出工艺、冷冻干燥工艺等制备多孔Nafion基体膜的物理化学方法及其工艺特点,归纳了上述方法成型孔隙的结构特征及优缺点,同时分析了各种孔隙制备工艺对IPMC性能的影响,并对后续孔隙微结构的研究进行了展望,以期为从本质上提升IPMC电致驱动性能提供实现途径,调和变形量与输出力之间的矛盾。

一种基于凝胶石墨烯复合材料的水质Pb^(2+)电化学传感器

Pb^(2+)污染是最严重的水污染问题之一,石墨烯材料具有电子传输率高,对部分外界物质响应灵敏等优势,且还原氧化石墨烯(rGO)可用于侦测Pb^(2+),因而其有望用于构建高灵敏度的Pb^(2+)侦测微系统。提出了一种在海藻酸盐凝胶内分散还原氧化石墨烯微片形成复合材料,并将其用于对微量重金属离子Pb^(2+)样品的集中聚集式吸附并配合微电极进行检测的方法。该方法中,所引入藻酸盐凝胶内含有大量含氧官能团,能增强离子吸附,其与配套的具有2μm电极间隙的微电极系统结合,可实现对水体中微量Pb^(2+)样品的侦测。结果表明:"凝胶石墨烯复合物"检测Pb^(2+)灵敏度达到40~50dB,有利于进行超低浓度的离子检测,检测的最低限达到1×10^(-12)mol·L^(-1),低于大多数情况下超低浓度检测要求的下限。