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考虑状态约束与执行器饱和的水下机器人轨迹跟踪控制

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控制与决策 2024年第6期39卷 1778-1786页

作者：王宇梁李一平李良中国科学院沈阳自动化研究所机器人学国家重点实验室沈阳110016 中国科学院机器人与智能制造创新研究院沈阳110016 辽宁省水下机器人重点实验室沈阳110016 中国科学院大学北京100049

针对执行器饱和、模型参数不确定以及海流干扰等因素影响下的水下机器人,提出一种考虑状态约束以及执行器饱和的轨迹跟踪控制器.首先,构建水下机器人水平面轨迹跟踪误差方程;然后,对载体模型参数不确定性产生的模型误差以及海流干扰,设... 详细信息

针对执行器饱和、模型参数不确定以及海流干扰等因素影响下的水下机器人,提出一种考虑状态约束以及执行器饱和的轨迹跟踪控制器.首先,构建水下机器人水平面轨迹跟踪误差方程;然后,对载体模型参数不确定性产生的模型误差以及海流干扰,设计一个非线性观测器进行估计并用于对控制器进行扰动补偿;接着,引入执行器饱和补偿系统、二阶滤波器以及滤波器误差补偿系统,设计命令滤波反步滑模控制器来控制水下机器人的水平面轨迹跟踪;最后,严格验证命令滤波反步滑模控制器的稳定性并进行数值仿真,验证所提出控制器的有效性.

关键词：状态约束执行器饱和水下机器人反步滑模法轨迹跟踪

深度学习图像识别辅助原子力显微镜单细胞力学特性精准高效探测

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生物化学与生物物理进展 2024年第2期51卷 468-480页

作者：吕晓龙李密中国科学院沈阳自动化研究所机器人学国家重点实验室沈阳110016 中国科学院机器人与智能制造创新研究院沈阳110169 沈阳工业大学人工智能学院沈阳110870

目的原子力显微镜(AFM)的出现为生命科学研究提供了强大工具,特别是AFM压痕实验技术已成为细胞力学特性探测的重要方法,从单细胞尺度为生理病理活动过程带来了大量新的认识,是对传统生化集群平均研究方法的有力补充。然而现有AFM压痕实... 详细信息

目的原子力显微镜(AFM)的出现为生命科学研究提供了强大工具,特别是AFM压痕实验技术已成为细胞力学特性探测的重要方法,从单细胞尺度为生理病理活动过程带来了大量新的认识,是对传统生化集群平均研究方法的有力补充。然而现有AFM压痕实验技术存在着依赖人工、效率低下等不足,严重制约了其在生命科学领域的实际应用。本文通过将光学显微成像自动目标识别技术与AFM压痕技术结合,建立了单个游离态细胞及聚团生长细胞的力学特性精准高效测量方法。方法利用YOLO深度学习算法识别出光学图像中细胞的中心部位,并通过嵌入视觉转换器(ViT)模块的双UNet神经网络模型对细胞边缘部位进行精确分割,同时采用模板匹配算法对光学图像中AFM微球探针进行定位,在此基础上自动确定AFM探针上的微球针尖与细胞不同部位之间的空间位置关系,进而对细胞中心部位和边缘部位的力学特性进行快速测量。选取HEK 293(人胚胎肾细胞)和HGC-27(人未分化胃癌细胞)两种细胞进行验证实验,并利用Hertz模型对获取的力曲线进行分析以得到细胞杨氏模量。结果在深度学习光学图像自动识别导引下可将AFM探针准确移动至细胞不同部位(中心和边缘)进行力学特性测量,同时实验结果表明,本文提出的方法不仅可对单个游离态细胞进行可靠测量,也适用于聚团生长的细胞。结论深度学习图像识别在辅助AFM单细胞力学特性精准高效探测方面具有巨大潜力,将深度学习图像识别与AFM结合有助于发展面向生物医学应用的高通量单细胞力学特性测量方法。

关键词：原子力显微镜细胞力学特性光学图像深度学习杨氏模量微球探针

基于自适应超螺旋观测器的空间机械臂鲁棒故障诊断

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系统工程与电子技术 2024年第4期46卷 1287-1296页

作者：高升张海龙张伟孔维国中国科学院沈阳自动化研究所机器人学国家重点实验室辽宁沈阳110016 中国科学院机器人与智能制造创新研究院辽宁沈阳110169 航天器在轨故障诊断与维修重点实验室陕西西安710043

针对空间机械臂系统执行器鲁棒故障诊断问题,提出一种基于改进的自适应超螺旋观测器故障诊断方法。为抑制复杂空间环境引起的外部干扰对故障诊断结果的影响,在经典超螺旋观测器的基础上引入观测器参数自适应调整算法,同时解决观测器参... 详细信息

针对空间机械臂系统执行器鲁棒故障诊断问题,提出一种基于改进的自适应超螺旋观测器故障诊断方法。为抑制复杂空间环境引起的外部干扰对故障诊断结果的影响,在经典超螺旋观测器的基础上引入观测器参数自适应调整算法,同时解决观测器参数过估计问题与噪声扩展问题。此外,引入小于1的分数幂和线性比例项来提高观测器的平滑性和快速性,进一步改善故障诊断效果。基于Moreno-Lyapunov函数算法分析了观测器的有限时间稳定性,证明了观测器的估计误差可以在有限时间内收敛至包含原点的邻域内,提出残差生成方法并设计了基于自适应阈值的故障诊断策略。最后,结合小行星采样空间三连杆机械臂算例,通过仿真验证了所提方法的有效性。

关键词：空间机械臂执行器故障故障诊断残差信息自适应超螺旋观测器

面向多关节训练的并联柔索驱动下肢康复机器人设计与分析

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机械工程学报 2024年

作者：张禹泽赵竞夫赵振伟康荣杰戴建生宋智斌天津大学机构理论与装备设计教育部重点实验室南方科技大学机器人研究院天津大学机械工程学院伦敦国王学院机器人学中心天津大学现代机构学与机器人学中心

目前我国康复需求巨大，并呈现持续增长趋势，康复机器人是解决这一问题的重要手段。针对现有下肢康复机器人在人机交互、训练方式及经济性等方面的局限，提出了一种采用柔索机构的并联柔索驱动下肢康复机器人，通过四根并联分布的柔索... 详细信息

目前我国康复需求巨大，并呈现持续增长趋势，康复机器人是解决这一问题的重要手段。针对现有下肢康复机器人在人机交互、训练方式及经济性等方面的局限，提出了一种采用柔索机构的并联柔索驱动下肢康复机器人，通过四根并联分布的柔索实现对使用者下肢大范围被动训练运动。建立了该机器人的运动学、静力学模型，并对柔索驱动中的滑轮摩擦力进行了建模与辨识。针对使用者的每次使用所处位置不确定的问题，提出了一种无需借助外部设备的使用者位置自主辨识方法。基于位置辨识，该机器人对使用者康复训练参数进行适应性调整，以实现精确康复策略。搭建了实验平台，通过实验验证了使用者位置自主辨识的可行性，并探究了关节力矩以及受力的规律，检验了下肢康复机器人被动训练的准确性。

关键词：下肢康复柔索驱动位置辨识摩擦力柔性康复机器人

基于广义比例积分观测器的永磁同步电机鲁棒谐振预测电流控制

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电工技术学报 2024年第10期39卷 2995-3006页

作者：杨帆赵希梅金鸿雁王晓东刘晓源沈阳工业大学电气工程学院沈阳110870 中国科学院沈阳自动化研究所机器人学国家重点实验室沈阳110016 中国科学院机器人与智能制造创新研究院沈阳110169

针对永磁同步电机(PMSM)采用无差拍预测电流控制(DPCC)时,性能易受电机参数失配及死区效应的影响,该文提出一种基于广义比例积分(GPI)观测器的鲁棒谐振预测电流控制(RRPCC)方法。首先,分析PMSM参数失配将产生非周期扰动及逆变器死区效... 详细信息

针对永磁同步电机(PMSM)采用无差拍预测电流控制(DPCC)时,性能易受电机参数失配及死区效应的影响,该文提出一种基于广义比例积分(GPI)观测器的鲁棒谐振预测电流控制(RRPCC)方法。首先,分析PMSM参数失配将产生非周期扰动及逆变器死区效应会导致周期扰动,进而建立带有非周期和周期性扰动的PMSM精确数学模型;其次,基于内模原理,将包含扰动频率的谐振多项式嵌入电流预测模型,可有效地抑制周期性扰动;最后,采用GPI观测器估计由参数失配引起的集总扰动,并通过前馈补偿消除非周期扰动。实验结果表明,该方法能提高系统面对非周期及周期性扰动时的鲁棒性。

关键词：参数失配 GPI观测器周期扰动鲁棒谐振预测电流控制

基于李雅普诺夫优化和深度强化学习的多任务端边迁移

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控制与决策 2024年第7期39卷 2457-2464页

作者：许驰唐紫萱金曦夏长清中国科学院沈阳自动化研究所机器人学国家重点实验室沈阳110016 中国科学院网络化控制系统重点实验室沈阳110016 中国科学院机器人与智能制造创新研究院沈阳110169 中国科学院大学北京100049

针对多终端、多边缘服务器场景下异构工业任务的端边协同处理问题,提出一种基于李雅普诺夫优化和深度强化学习的多任务端边迁移算法.首先,以联合优化任务迁移决策、迁移比例和传输功率为目标,充分考虑计算频率、传输功率、长期能耗和任... 详细信息

针对多终端、多边缘服务器场景下异构工业任务的端边协同处理问题,提出一种基于李雅普诺夫优化和深度强化学习的多任务端边迁移算法.首先,以联合优化任务迁移决策、迁移比例和传输功率为目标,充分考虑计算频率、传输功率、长期能耗和任务截止期等约束,构建系统长期平均开销最小化问题;由于问题中长期目标及约束中变量在不同时隙相互耦合,难以求解,基于李雅普诺夫优化理论,将长期平均开销最小化问题解耦为独立时隙的策略优化问题;通过马尔可夫决策过程建模,并采用双层竞争深度神经网络架构,提出基于深度强化学习的多任务迁移算法.实验结果表明,所提算法能够稳定收敛,并在长期能耗约束和任务截止期要求下有效降低系统长期平均开销.

关键词：异构工业任务任务迁移李雅普诺夫优化马尔可夫决策过程深度强化学习

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基于柔性光波导的水下本体感知软体执行器

机器人 2024年第2期46卷 129-138页

作者：莫礼燕张道辉傅昕赵新刚中国科学院沈阳自动化研究所机器人学国家重点实验室辽宁沈阳110016 中国科学院机器人与智能制造创新研究院辽宁沈阳100169 中国科学院大学北京100049

水下软体执行器在水下生物采样、文物打捞等作业任务中发挥着重要作用,但其本体感知能力不足。传统的水下感知模块存在易受环境温度影响、抗干扰能力弱、体积大和硬度大等缺点,不适用于软体执行器。为了解决这个问题,本文基于一种对温... 详细信息

水下软体执行器在水下生物采样、文物打捞等作业任务中发挥着重要作用,但其本体感知能力不足。传统的水下感知模块存在易受环境温度影响、抗干扰能力弱、体积大和硬度大等缺点,不适用于软体执行器。为了解决这个问题,本文基于一种对温度和电磁干扰不敏感、响应速度较快、线性度较高的柔性光波导传感器来实现一种波纹管结构软体执行器的本体感知功能。首先,在实验室浅水环境中测试了软体执行器检测物体基本物理属性(表面纹理和硬度)的能力;其次,在实验室模拟静水高压环境中(0~30MPa)初步验证该软体执行器在水下3000m典型作业场景应用的可行性。实验结果证明:在浅水环境中,软体执行器可在驱动压力40kPa下感知幅值为1mm的锯齿波纹表面;当驱动压力大于30kPa时,软体执行器可以明显辨别出本体弯曲状态以及3种不同硬度的物体;在静水压0~30MPa下,柔性光波导传感器可以很好地表征软体执行器的不同弯曲状态;当水压增大时,传感器的迟滞性增大,灵敏度降低。以上实验结果表明基于柔性光波导的本体感知软体执行器具备水下原位感知的功能,且在等效水下3000m作业范围内仍具有较好的感知性能。

关键词：柔性光波导传感器柔性传感器本体感知软体执行器水下软体机器人原位感知

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面向高机动飞行的旋翼气动模型构建方法

机器人 2024年第4期46卷 385-396页

作者：包一峰谷丰杜心田于利何玉庆中国科学院沈阳自动化研究所机器人学国家重点实验室辽宁沈阳110016 中国科学院机器人与智能制造创新研究院辽宁沈阳110169 中国科学院大学北京100049

旋翼气动机理复杂、变量耦合严重,如何在线准确估计旋翼气动力是实现旋翼飞行机器人高机动安全自主飞行的关键问题之一。为此,本文提出了一种基于叶素动量理论的集成参数模型构建方法,结合参数集成的思想,将叶素动量模型中的叶素积分式... 详细信息

旋翼气动机理复杂、变量耦合严重,如何在线准确估计旋翼气动力是实现旋翼飞行机器人高机动安全自主飞行的关键问题之一。为此,本文提出了一种基于叶素动量理论的集成参数模型构建方法,结合参数集成的思想,将叶素动量模型中的叶素积分式简化为代数式,以提升计算效率并降低参数辨识的复杂度,同时保留旋翼诱导速度为状态变量,避免了近似悬停飞行状态假设,使模型能够适应高速高机动的飞行状态。基于实机机动飞行数据的仿真实验结果表明,该方法构建的模型相较于常见的集成参数模型和仅基于叶素动量理论的模型,整体旋翼气动合力预测误差分别同比降低20%和50%,且与仅基于叶素动量理论的模型相比计算效率提升显著。

关键词：旋翼无人机旋翼气动力叶素动量理论集成参数多旋翼无人机

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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

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机器人 2024年第3期46卷 266-274,283页

作者：郑勇杰张广玉杨丽英黄朝雄中国科学院沈阳自动化研究所机器人学国家重点实验室辽宁沈阳110016 中国科学院机器人与智能制造创新研究院辽宁沈阳110169 中国科学院大学北京100049

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... 详细信息

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。

关键词：旋翼无人机空地协同轨迹生成升力分解动平台降落