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面向曲率及边界距离约束的弯曲管道内路径规划

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天津大学学报（自然科学与工程技术版） 2024年第10期57卷 1010-1021页

作者：代煜赵煜尹晶晶李睿张建勋南开大学机器人与信息自动化研究所天津300350

弯曲管道结构是工业探测或医用诊察中常见的一种场景,传统机器人的路径规划大多基于管道中心线的提取,而忽略了在狭窄空间中作业的真实参数约束,易使得作业工具末端受到弯折或挤压,影响作业效率,增加作业风险.针对以上问题,提出了一种... 详细信息

弯曲管道结构是工业探测或医用诊察中常见的一种场景,传统机器人的路径规划大多基于管道中心线的提取,而忽略了在狭窄空间中作业的真实参数约束,易使得作业工具末端受到弯折或挤压,影响作业效率,增加作业风险.针对以上问题,提出了一种面向真实曲率和边界距离参数约束的路径规划方法,在可视化的三维模型中生成管道的中心稠密点集,针对该点集提出两步走的空间特征点识别策略.在选定作业路径的初始点、终止点后,依据邻近点间的曲率均值、极值及差分关系识别曲率极值点、分段点,通过对粗扫描特征点的遍历进一步识别出拐点和宽域节点以及过密点.将识别出的特征点作为型值点,反算得到NURBS曲线及对应插值点的曲率值,通过模型切片搜索得到曲线插值点的边界距离不合格点集.将极值点添加至特征点集中,再通过搜索得到的曲率不合格点集,将极值点进行拟合圆调整至后更新特征点集、在完成自适应轮次的特征点迭代后,检测并标记为空或连续不变的全区间参数不合格点区间集.实验结果证明:弯曲圆柱仿真模型和CT重建肾腔模型的规划路径经由迭代分别满足曲率10 mm^(-1)、8 mm^(-1)的约束.同时最短距离的全区间检测及标记结果也表明本文方法可以在满足曲率要求的前提下尽可能不碰撞管道内壁,验证了本文方法的有效性和可行性.

关键词：路径规划弯曲管道 NURBS曲线插值特征点识别曲率约束边界距离约束

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基于分层空间一致性的旋转双目立体校正算法

北京航空航天大学学报 2024年第5期50卷 1551-1559页

作者：罗其俊田鑫高庆吉中国民航大学机器人研究所天津300300 北京航空航天大学机械工程及自动化学院北京100191

在旋转双目立体视觉系统中,转台机械间隙导致的左右相机旋转平移偏差,造成立体校正图像的严重畸变。针对该问题,提出一种基于分层空间一致性的旋转双目立体校正算法。采用ORB特征在原始左右图像中进行快速全局立体匹配,设计一种新的特... 详细信息

在旋转双目立体视觉系统中,转台机械间隙导致的左右相机旋转平移偏差,造成立体校正图像的严重畸变。针对该问题,提出一种基于分层空间一致性的旋转双目立体校正算法。采用ORB特征在原始左右图像中进行快速全局立体匹配,设计一种新的特征点全局双层约束,实现匹配点的优选。提出基于内点邻域空间一致性的局部校验方法,实现二次匹配优化,并利用质量排序的优化匹配点集,由八点法基础矩阵估计算法计算左右相机的精确位姿关系,以此完成图像的立体校正。在Oxford和SYNTIM数据集上的典型算法对比实验,验证了所提算法的性能。多角度立体校正实验表明:所提算法可适应光轴夹角变化,在双目最大45°夹角时保证立体校正的质量,匹配点偏差小于0.2像素。

关键词：立体校正旋转相机基础矩阵空间一致性位姿估计

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基于分层运动分解的飞行机械臂视觉伺服控制

控制理论与应用 2024年第5期41卷 808-816页

作者：张兆鹏何慰梁潇韩建达方勇纯南开大学人工智能学院机器人与信息自动化研究所天津300350 南开大学天津市智能机器人技术重点实验室天津300350

飞行机械臂系统具有主动作业能力,通过搭载视觉传感器感知周围环境,系统的自主能力将进一步提高.然而,考虑到无人机的欠驱动和整个系统的非线性特性,飞行机械臂系统的视觉伺服控制仍然是一项具有挑战性的工作.本文在充分考虑机械臂对无... 详细信息

飞行机械臂系统具有主动作业能力,通过搭载视觉传感器感知周围环境,系统的自主能力将进一步提高.然而,考虑到无人机的欠驱动和整个系统的非线性特性,飞行机械臂系统的视觉伺服控制仍然是一项具有挑战性的工作.本文在充分考虑机械臂对无人机的力/力矩作用后,提出了一种基于分层运动分解的飞行机械臂视觉伺服控制方案.首先,对飞行机械臂系统的运动学和动力学模型进行分析.然后,根据所得的相机运动学模型,通过基于图像的视觉伺服控制获得相机的期望速度,进而制定无人机和机械臂的速度分配策略.在考虑机械臂运动时对无人机产生的力/力矩影响,设计了底层的飞行控制器.最后,在与现有方法的仿真对比中可以看出,所提方法具有良好的控制性能,对图像特征点位置的不确定性及图像噪声也表现了较好的鲁棒性.

关键词：多旋翼无人机飞行机械臂视觉伺服控制

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基于同步动态优化的移动机器人最优速度规划

浙江大学学报（工学版） 2024年第8期58卷 1556-1564页

作者：樊志伟贾凯张雷邹风山杜振军刘明敏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110016 中国科学院大学北京100049 沈阳新松机器人自动化股份有限公司辽宁沈阳110168

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.... 详细信息

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.

关键词：移动机器人速度规划加加速度约束同步动态优化可达性分析

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主从遥操作位置-速度混合映射研究

控制工程 2024年第4期31卷 654-660页

作者：霍子轩袁明星张雪波南开大学人工智能学院机器人与信息自动化研究所天津300350

主从异构型遥操作机器人系统在主从结构、自由度等方面的差异,导致其主端小范围操作空间难以覆盖从端大范围工作空间,以及从端难以精确定位。针对此问题,首先搭建了一套主从异构型遥操作机器人系统的软硬件平台,然后对主从端机器人进行... 详细信息

主从异构型遥操作机器人系统在主从结构、自由度等方面的差异,导致其主端小范围操作空间难以覆盖从端大范围工作空间,以及从端难以精确定位。针对此问题,首先搭建了一套主从异构型遥操作机器人系统的软硬件平台,然后对主从端机器人进行运动学建模,进而提出了一种主端位置-从端速度和主端位置-从端位置混合切换的映射算法。一方面,所提算法通过主端位置-从端速度映射模式解决主从工作空间不匹配的问题,从而提高大范围空间下从端抵近目标的效率;另一方面,所提算法通过主端位置-从端位置映射模式实现从端精细定位,同时克服主端位置-从端速度映射中从端无法快速换向运动的缺陷。实验结果表明,所提混合映射算法能够实现主端遥操作从端机器人高效地完成复杂、精细的操作任务。

关键词：遥操作机器人学主从控制工作空间匹配混合映射

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基于多层骨架模型的行李托盘快速检测算法

激光与光电子学进展 2024年第4期61卷 513-521页

作者：罗其俊李政高庆吉中国民航大学机器人研究所天津300300

民航自助行李托运系统需自动检测行李加装托盘的情况。针对已装载行李的遮挡托盘目标检测问题,提出一种基于多层骨架模型的行李托盘快速检测算法。为准确描述托盘特征,通过空托盘的三维点云模型,构建托盘的边框骨架模型与平面点线模型... 详细信息

民航自助行李托运系统需自动检测行李加装托盘的情况。针对已装载行李的遮挡托盘目标检测问题,提出一种基于多层骨架模型的行李托盘快速检测算法。为准确描述托盘特征,通过空托盘的三维点云模型,构建托盘的边框骨架模型与平面点线模型。在线检测时,首先,采用设计的带状特征描述和提取方法,抓取托盘边框点云,并采用提出的点线引力势能自适应迭代算法,实现平面点线模型的快速粗配准,完成托盘判别。然后,在粗配准的位姿约束下,采用基于随机采样一致性的点云迭代最近点配准,实现边框骨架模型和点云模型的精确配准,得到托盘的精确位姿。大量实际行李托盘检测的对比试验验证了算法的有效性,在托盘遮挡70%以内时,仍可保持94%的正确率,检测速度超过典型算法的6倍以上。

关键词：图像处理三维目标检测行李托盘骨架模型点云配准

高速公路无人驾驶的分层抽样多动态窗口轨迹规划算法

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自动化学报 2024年第7期50卷 1315-1332页

作者：张琳薛建儒马超李庚欣李勇强西安交通大学人工智能与机器人研究所西安710049

高速公路无人驾驶轨迹规划面临着实时性强、安全性高的挑战.为此,提出一种分层抽样多动态窗口的轨迹规划算法(Stratified sampling based multi-dynamic window trajectory planner,SMWTP).首先,用多动态窗口表征可行轨迹的搜索空间,并... 详细信息

高速公路无人驾驶轨迹规划面临着实时性强、安全性高的挑战.为此,提出一种分层抽样多动态窗口的轨迹规划算法(Stratified sampling based multi-dynamic window trajectory planner,SMWTP).首先,用多动态窗口表征可行轨迹的搜索空间,并基于贝叶斯网络构建轨迹概率分布模型.其次,采用先速度后路径的分层抽样策略生成符合动态场景约束的候选轨迹集合.最后,利用引入障碍车辆速度估计不确定性的责任敏感安全模型(Responsibility sensitive safety,RSS)从中选择最优轨迹.大量仿真实验和实际交通场景测试验证了算法的有效性,对比实验结果表明,所提算法性能显著优于人工势场最优轨迹规划算法和多动态窗口模拟退火轨迹规划算法.

关键词：无人驾驶轨迹规划运动规划贝叶斯网络

基于双耳麦克风实现机器人骨铣削状态自动控制

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仪器仪表学报 2024年第1期45卷 259-268页

作者：孙健文王瑞夏光明代煜张建勋南开大学机器人与信息系统化研究所天津300350 天津医科大学总医院骨科天津300052

为了提升骨铣削手术机器人的手术质量,要求机器人对于手术中的铣削状态(主要包括铣削深度和铣削角度)能够实时感知并控制。针对此问题,本文提出一种利用双耳麦克风系统来辅助完成铣削状态控制的方法。首先对铣削状态与声信号的关系进行... 详细信息

为了提升骨铣削手术机器人的手术质量,要求机器人对于手术中的铣削状态(主要包括铣削深度和铣削角度)能够实时感知并控制。针对此问题,本文提出一种利用双耳麦克风系统来辅助完成铣削状态控制的方法。首先对铣削状态与声信号的关系进行建模,之后完成铣削深度与铣削角度的标定实验获得所提模型的相关系数,最后利用PD控制器结合所建立的模型函数来实时分析并控制机器人的铣削状态。实验结果表明,铣削期望深度为0.5 mm时,加入角度控制相较于未加角度控制的实验效果在铣削深度与期望值偏差的方面提升了7.0%,铣削稳定性方面提升了34.1%。并且证明在期望深度为0.8 mm的极端情况下引入角度控制同样有着提升铣削效果的积极作用。经过实验验证所提方法能够有效的提升骨铣削手术机器人的工作质量。

关键词：手术机器人骨铣削信号处理深度控制角度控制

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