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基于有限状态机的六足机器人人机协同指令优选方法

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控制与决策 2024年

作者：尤波董正李佳钰陈潇磊陈晨丁亮哈尔滨理工大学黑龙江省重点实验室布里斯托大学布里斯托机器人实验室哈尔滨工业大学哈工大机器人国家重点实验室

针对六足机器人在复杂环境下如何决策出最优人机指令组合问题，提出将操控指令权限分配的过程分为离线和在线两个阶段。在离线阶段，将六足机器人运动过程中机身的稳定裕度、能量消耗和与障碍物的碰撞接触时间作为指令优选的约束条件，... 详细信息

针对六足机器人在复杂环境下如何决策出最优人机指令组合问题，提出将操控指令权限分配的过程分为离线和在线两个阶段。在离线阶段，将六足机器人运动过程中机身的稳定裕度、能量消耗和与障碍物的碰撞接触时间作为指令优选的约束条件，并建立评价函数实现在进入地形前获得最优的操控指令组合；在线阶段依据上述三个约束条件量化有限状态机网络中的状态转移概率，并人为设置约束条件阈值作为触发条件，向最优的人机决策指令状态进行转换。最后利用半物理仿真系统进行实验，结果表明本文提出的决策方法在稳定裕度上相对于其它操控方法提高约15%-25%；能量消耗上降低了约10%-50%；碰撞接触时间上降低了约10%-50%。

关键词：六足机器人有限状态机协同决策指令优选约束条件评价函数

基于病态参数分离的机器人运动学标定测量构型优化

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仪器仪表学报 2024年第2期45卷 299-314页

作者：郭万金李锦辉郝钦磊曹雏清赵立军长安大学道路施工技术与装备教育部重点实验室西安710064 芜湖哈特机器人产业技术研究有限公司芜湖241007 埃夫特智能装备股份有限公司芜湖241060 长三角哈特机器人产业技术研究院芜湖241007 哈尔滨工业大学机电工程学院哈尔滨150000

针对一种高灵巧性机器人及其连杆参数高敏感性与高定位精度需求,为解决机器人运动学标定随机测量构型存在绝对定位精度低、参数辨识效果及标定结果鲁棒性较差的问题,提出一种病态参数分离与DETMAX-改进差分进化(DETMAX-IDE)算法的机器... 详细信息

针对一种高灵巧性机器人及其连杆参数高敏感性与高定位精度需求,为解决机器人运动学标定随机测量构型存在绝对定位精度低、参数辨识效果及标定结果鲁棒性较差的问题,提出一种病态参数分离与DETMAX-改进差分进化(DETMAX-IDE)算法的机器人运动学标定测量构型分步优化方法。首先,建立机器人位置误差模型。其次,建立一种可观性综合指标,评价不同机器人标定测量构型的总体可观测性和灵敏度。最后,分离机器人运动学位置误差模型的病态参数,建立测量构型优化目标函数和约束条件,提出一种基于DETMAX算法与改进差分进化算法结合的分步迭代优化算法(简称为DETMAX-改进差分进化算法,简写为DETMAX-IDE算法),开展机器人运动学标定测量构型分步迭代优化。通过机器人运动学标定仿真与实验,验证了所提方法的有效性。实验结果表明,与随机测量构型相比,所提方法对应的机器人绝对定位精度的平均值和均方差分别降低了62.09%和62.45%。

关键词：机器人运动学标定测量构型优化病态参数分离 DETMAX-IDE算法位置误差模型

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BGA焊点缺陷的全光学激光超声检测技术

红外与激光工程 2024年第6期53卷 98-105页

作者：刘洋宋鹏刘湘玥赵江浩刘聪刘俊岩中国航发商用航空发动机有限责任公司上海200241 哈尔滨工业大学机电工程学院黑龙江哈尔滨150001 哈尔滨工业大学机器人技术与系统国家重点实验黑龙江哈尔滨150001 哈尔滨工业大学仪器科学与工程学院黑龙江哈尔滨150001

激光超声检测技术凭借其检测精度高、响应速度快、非接触、无损伤等优点,在无损检测与材料性能评估领域具有重要地位。光学麦克风作为一种新型的全光学激光超声探测器,具有全光学、带宽范围广、灵敏度高等优势,已得到学者广泛关注。文... 详细信息

激光超声检测技术凭借其检测精度高、响应速度快、非接触、无损伤等优点,在无损检测与材料性能评估领域具有重要地位。光学麦克风作为一种新型的全光学激光超声探测器,具有全光学、带宽范围广、灵敏度高等优势,已得到学者广泛关注。文中采用光学麦克风探测器对球状引脚栅格阵列封装(Ball Grid Array, BGA)焊点与模拟缺陷开展了激光超声检测的初步理论、仿真及试验研究。首先对脉冲激光作用于材料表面激发出超声波的过程进行理论分析,并利用有限元方法建立了BGA焊点的热力耦合仿真模型,研究了模拟焊点内部超声波的传播规律与缺陷对超声波传播的影响。最后利用全光学激光超声检测系统对具有模拟缺陷的BGA封装电路板样件进行检测试验研究,并通过Lanczos去噪算法对结果进行处理。结果表明:利用波长为532 nm,单脉冲能量为2.66 mJ的脉冲激光能够实现直径5.5 mm焊点及缺陷的检测。

关键词：无损检测激光超声焊点缺陷光学麦克风

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考虑廓形特征的机器人异型盘磨削接触力建模

表面技术 2024年第12期53卷 167-180页

作者：郭万金吴广朱恒陈柱宏詹子立曹雏清赵立军郭磊朱文锋长安大学道路施工技术与装备教育部重点实验室西安710064 长三角哈特机器人产业技术研究院安徽芜湖241007 埃夫特智能装备股份有限公司安徽芜湖241060 芜湖哈特机器人产业技术研究有限公司安徽芜湖241007 安徽工程大学计算机与信息学院安徽芜湖241000 哈尔滨工业大学机电工程学院哈尔滨150000

目的为表征具有尖端小、比压大廓形特征的机器人异型盘磨削接触力,针对异型盘薄板与橡胶板双层结构形式,提出一种考虑廓形特征影响的包含薄板挠曲形变和橡胶板弹性形变的机器人异型盘磨削接触力建模方法。方法首先,基于弹性薄板弯曲理论... 详细信息

目的为表征具有尖端小、比压大廓形特征的机器人异型盘磨削接触力,针对异型盘薄板与橡胶板双层结构形式,提出一种考虑廓形特征影响的包含薄板挠曲形变和橡胶板弹性形变的机器人异型盘磨削接触力建模方法。方法首先,基于弹性薄板弯曲理论,分析薄板挠曲形变与接触力关系。其次,依据静态弹性理论,建立橡胶板在弹性形变区域内弹性形变与接触力模型。再次,开展有限元数值模拟实验求解橡胶板弹性形变参数和薄板挠曲形变参数,并通过变量替换建立接触力与异型盘法向进给位移数值形式反函数模型。最后,搭建机器人异型盘磨削实验平台,分别开展1种平面与3种曲率曲面工件的机器人异型盘接触力模型验证实验和1种侧曲面圆台铸铁工件的机器人异型盘磨削一致性验证实验。结果机器人异型盘接触力模型验证实验结果表明,当盘倾角较大时,能够较为准确地预测接触力。机器人异型盘磨削一致性验证实验结果表明,在相同的磨削参数条件下,3条磨削路径(路径1、2、3)的磨削深度平均值分别为0.0663、0.0632、0.0645 mm,最大偏差分别为0.0139、0.0090、0.0108 mm,变异系数分别为11.2%、6.4%和9.6%。实验验证了所提方法的有效性。结论所提方法考虑了异型盘廓形特征,将工件表面曲率、盘倾角、廓形参数和异型盘尺寸等参数包含在磨削接触力模型中,并描述了磨削接触力与异型盘法向进给位移的数值形式反函数关系,能够度量异型盘磨削作业接触区域和解释磨削接触力影响因素,可为机器人异型盘的高效率、高质量恒定接触力磨削提供理论依据。

关键词：接触力建模异型盘磨削挠曲形变弹性形变机器人磨削

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基于TILS算法的汽轮机叶片排序方法

航空动力学报 2024年第9期39卷 485-490页

作者：刘谊郭闯强朱映远张庆利哈尔滨工业大学机电工程学院哈尔滨工业大学芜湖机器人产业技术研究院中国航天科技集团有限公司中国运载火箭技术研究院

通过优化汽轮机叶片的安装顺序，来减少安装后的残余不平衡量。对此提出一种阈值式迭代局部搜索（threshold iterative local search,TILS）算法，该算法在迭代局部搜索（iterative local search,ILS）算法基础上，采用阈值限定扰动与... 详细信息

通过优化汽轮机叶片的安装顺序，来减少安装后的残余不平衡量。对此提出一种阈值式迭代局部搜索（threshold iterative local search,TILS）算法，该算法在迭代局部搜索（iterative local search,ILS）算法基础上，采用阈值限定扰动与随机扰动相结合的方法来跳出局部最优解，减少了平均到达局部最优解所需的迭代步数。实验证明，该方法可以在短时间内找到一个近似最优叶片排序组合，相对于ILS算法，搜索效率提高了20%以上。计算得到的合成质径积的近似最优解，相对于现有分组排序法、遗传算法、云自适应遗传算法（CAGA）等方法，分别减小到其最优解的0.33%～31%，且计算时间也大幅度减小。

关键词：汽轮机叶片排序组合优化迭代局部搜索(ILS) 阈值式迭代局部搜索(TILS) 局部搜索

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复杂地形环境下的多传感器融合SLAM技术

机器人 2024年第4期46卷 425-435页

作者：路春晓钟焕刘威周勇崔智全李卫华哈尔滨工业大学(威海)汽车工程学院山东威海264209 中建三局集团有限公司湖北武汉430070 长三角哈特机器人产业技术研究院安徽芜湖241060

针对在野外、森林、山地或建筑工地等复杂环境中,SLAM(同时定位与地图构建)算法精度下降、定位漂移或甚至失效的问题,提出一种复杂地形环境下的多传感器融合SLAM算法。首先,针对剧烈运动时点云畸变严重的问题,提出了一种自适应划分雷达... 详细信息

针对在野外、森林、山地或建筑工地等复杂环境中,SLAM(同时定位与地图构建)算法精度下降、定位漂移或甚至失效的问题,提出一种复杂地形环境下的多传感器融合SLAM算法。首先,针对剧烈运动时点云畸变严重的问题,提出了一种自适应划分雷达帧的子帧分割方法,并利用IMU(惯性测量单元)预积分技术进行点云畸变补偿,降低点云帧内失真,提高SLAM算法在剧烈运动时的鲁棒性;然后,算法前端基于迭代误差状态卡尔曼滤波(IESKF)算法,融合激光雷达、IMU的数据进行状态估计,为后端提供精确的初始位姿;后端基于因子图,融合前端激光惯导里程计因子、闭环检测因子、全球定位系统(GPS)因子,提高SLAM算法的准确性和全局一致性。最后,在剧烈运动场景、校园综合场景以及野外森林场景中对算法进行了测试。实验结果显示,与FAST-LIO2算法和LIO-SAM算法相比,本文算法的定位精度更高,建图更加清晰,在剧烈运动场景中更具鲁棒性。

关键词：同时定位与地图构建迭代误差状态卡尔曼滤波(IESKF) 因子图传感器融合

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基于扩展图像特征的无标定视觉伺服方法

系统仿真学报 2024年

作者：张淑珍成煜坤刘杨波查富生哈尔滨工业大学机器人技术与系统国家重点实验室兰州理工大学机电工程学院

针对传统无标定视觉伺服依赖图像雅可比矩阵的估计、相机各自由度运动耦合的问题，在基于图像的无标定视觉伺服的基础上，提出了一种基于扩展图像特征的无标定视觉伺服方法。通过分析视觉伺服过程中图像特征和相机位姿变化关系，将图像... 详细信息

针对传统无标定视觉伺服依赖图像雅可比矩阵的估计、相机各自由度运动耦合的问题，在基于图像的无标定视觉伺服的基础上，提出了一种基于扩展图像特征的无标定视觉伺服方法。通过分析视觉伺服过程中图像特征和相机位姿变化关系，将图像空间中视觉伺服过程分解为平移、拉伸、旋转、缩放四个基本过程；通过分析视觉伺服过程中图像特征变化规律，采用扩展图像特征补充传统图像特征的含义，以图像重心坐标、直线相对长度、两点距离、方向角等作为扩展图像特征与相机各自由度运动对应，通过图像特征误差直接控制机器人运动，实现不依赖图像雅可比矩阵的、解耦的视觉伺服。在CoppeliaSim平台进行对比仿真实验，结果表明本研究所提的方法与传统有标定视觉伺服在目标图像位置误差、相机位置误差和姿态误差相比分别降低了88%、94%、93%，并利用实物实验验证本算法的有效性。

关键词：机器人无标定视觉伺服扩展图像特征特征选择运动解耦

聚丙烯酰胺/假酸浆复合材料制备及其对刚果红的吸附性能

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工程科学与技术 2024年

作者：郭万金孙浩曹雏清赵立军长三角哈特机器人产业技术研究院芜湖哈特机器人产业技术研究有限公司博士后工作站哈尔滨工业大学机器人技术与系统国家重点实验室长安大学道路施工技术与装备教育部重点实验室

为去除染料废水中的刚果红（CR）分子，以假酸浆、聚丙烯酰胺（PAM）和改性石墨为原料，采用冷冻干燥法制备了一种复合材料吸附剂，通过扫描电镜（SEM）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）和Zeta电位对复合材料进行了表征，研究了pH、加入量... 详细信息

为去除染料废水中的刚果红（CR）分子，以假酸浆、聚丙烯酰胺（PAM）和改性石墨为原料，采用冷冻干燥法制备了一种复合材料吸附剂，通过扫描电镜（SEM）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）和Zeta电位对复合材料进行了表征，研究了pH、加入量、吸附时间、温度与溶液浓度对其吸附CR性能的影响，并利用吸附等温线、吸附动力学和吸附热力学研究了吸附过程。材料表征结果表明：所制备复合材料具有较好的空间结构，表面粗糙不均且存在大量活性位点和多种官能团，有明显的褶皱，比表面积较大。吸附实验结果表明：pH是影响复合材料吸附CR的性能的主要因素，复合材料对CR的吸附性能在酸性和中性溶液中较好，碱性条件下较差；当溶液pH=7时，CR去除率可达89.6%；初始溶液浓度为80 mg/L时，CR去除率随吸附剂投入量增加由76.5%提高至86.6%；当初始溶液浓度100 mg/L及复合材料投入量100 mg时，吸附平衡时间约为826 min，CR去除率为84.5%；复合材料对CR的吸附属于放热过程，在303 ～323 K温度范围内，复合材料对CR的吸附性能随温度的增加而降低。吸附动力学分析结果表明，复合材料对CR的吸附符合伪一级动力学模型；等温线分析结果表明，吸附反应更加符合Freundlich等温线模型，吸附过程主要发生在复合材料的非均相吸附位点上且以化学吸附为主；热力学分析结果表明，复合材料对CR的吸附是自发的放热过程；研究表明复合材料具有良好的重复利用性。

关键词：假酸浆聚丙烯酰胺改性石墨吸附性能刚果红

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蛇形机器人全身避障策略设计与实验研究

机械工程学报 2024年

作者：李鹏王刘银王刚马书根哈尔滨工业大学(深圳)机电工程与自动化学院上海理工大学机器智能研究院香港科技大学(广州)机器人与自主系统学域

为解决微小型蛇形机器人避障效率低和部分关节与障碍物发生碰撞的问题，提出一种新的基于模型预测控制的蛇形机器人全身避障策略以及适用于蛇形机器人独特结构的制导策略。所提出的避障策略既可在无障碍时准确跟踪期望路径，也可在有障... 详细信息

为解决微小型蛇形机器人避障效率低和部分关节与障碍物发生碰撞的问题，提出一种新的基于模型预测控制的蛇形机器人全身避障策略以及适用于蛇形机器人独特结构的制导策略。所提出的避障策略既可在无障碍时准确跟踪期望路径，也可在有障碍时高效避开障碍物，快速回归到原路径中。与现有仅可保证蛇形机器人头部或质心不与障碍物发生碰撞的策略不同，该策略能够保证全部关节与障碍物不发生碰撞，且无需考虑最大碰撞体积和假设蛇尾严格按蛇头轨迹移动，提高了避障效率。此外，通过分析在固定步态下蛇形机器人变化的驱动结构对转弯效率的影响，提出适用于此类转弯效率变化的机器人制导策略，避免机器人发生反复穿梭期望路径的振荡现象。通过大量的仿真和实验验证了所提出的策略的有效性。

关键词：蛇形机器人全身避障模型预测控制