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    当期目录 2016年38卷2期 摘要
     
    论文与报告
    129. 韩冬, 聂宏, 陈金宝, 颜文彧, 王小涛
    腱驱动空间五指灵巧手控制系统研究
     

    以适用于空间在轨服务的腱驱动五指灵巧手为研究对象,设计具有一定实时性的控制系统.为满足腱驱动灵巧手多指操作对同步性和实时性的特殊要求,提出基于 RTX(real time extension)共享内存的模块化软件架构,可集成人机交互、虚拟显示、遥操作以及数据传输等模块,具有扩展性好、结构清晰、传输效率高的优点.针对腱驱动耦合的问题,提出关节空间到腱空间的解耦矩阵,并据此给出实时多指协调运动控制方法,以确保各手指同时到达期望位置,减小腱驱动迟滞造成的不利影响.最后通过多指灵巧抓取以及遥操作实验,验证所提控制系统的稳定性、可靠性.

      2016,Vol.38(2):129-134 [摘要] (318) [HTML 1 KB] [PDF 737 KB] (124)
    135. 陈宇航, 赵铁石, 宋晓鑫, 何勇, 李忠杰
    变结构并联多维振动台自由度特性与运动学分析
     

    基于 3-P(4S)构型设计并研制了一种直线电机驱动的、平衡位姿可调的变结构并联多维振动台.运用约束螺旋理论分别对子闭环初始安装为平行四边形和梯形的两种构型进行自由度特性分析.建立两种构型的运动学位姿模型,研究机构位姿输出与驱动输入的关系,通过迭代搜索法求解梯形安装时机构的非线性约束方程组.根据位姿分析,分别用反解搜索法和正解遍寻法得到两种初始安装条件下机构的可达工作空间以及梯形安装时的伴随转角空间.通过数值算例验证理论分析结果,对机构进行运动仿真,研究不同装配结构下振动台机构的运动输出特性.依据理论分析与仿真结果进行实物样机运动实验,将理论计算、仿真分析和实验的结果进行对比,进一步验证了理论分析的正确性以及样机工程应用的可行性.

      2016,Vol.38(2):135-143 [摘要] (267) [HTML 1 KB] [PDF 4837 KB] (80)
    144. 李剑锋, 李世才, 陶春静, 季润, 徐成辉, 张兆晶
    并联 2-UPS/RRR踝关节康复机构及运动性能分析
     

    为了帮助患者恢复踝关节运动能力,在分析现有踝关节康复机器人机构的基础上,提出了一种简单、实用的 3 自由度 2-UPS/RRR 并联机构.该机构约束支链与动平台的设计,保证了机构的旋转中心与不同患者的踝关节旋转中心重合.计算了自由度,并应用解析法给出了机构的运动学逆解,建立了速度雅可比矩阵,通过对驱动参数的限定,求解了满足训练要求的机构工作空间.最后基于雅可比矩阵,仿真分析了机构的运动学性能, 结果表明在规定的工作空间内机构具有良好的可操作性、运动灵活性和刚度特性.而且机构采用非冗余电动机驱动,结构简单,有效避免了支链间不必要的干涉,减小了整个机构的占用体积,相比当前的踝关节康复机构更具优势.

      2016,Vol.38(2):144-153 [摘要] (247) [HTML 1 KB] [PDF 1782 KB] (72)
    154. 叶长龙, 梁海超, 于苏洋, 姜春英
    变结构可抛掷球形机器人的运动分析
     

    针对灾后、战后等复杂地面环境,开发了一种能够以抛掷或发射方式进入工作区域进行作业的变结构机器人.该机器人能够以球形结构通过抛掷或发射的方式越过现有大部分地面移动机器人无法通过的地面障碍.同时,在到达工作区域后,机器人能够变形为具有 2 个被动自由度的四轮移动机器人以完成移动作业.为了对机器人进行有效的运动控制,针对展开结构建立了考虑前、后车体几何约束及驱动轮无横向滑移约束的运动学模型,分析了机器人在进行曲线运动时产生轨迹误差的原因.仿真得到了机器人做正弦曲线运动时的轨迹误差,并分析了误差的影响因素.通过实验对建立的模型和仿真结果进行了验证,证明机器人具有较好的运动灵活性.

      2016,Vol.38(2):154-159 [摘要] (241) [HTML 1 KB] [PDF 760 KB] (50)
    160. 杨茜, 宋光明, 陈天元, 张军, 宋爱国
    一种弹跳机器人姿态调节中离散和连续运动建模与实验研究
     

    对一种仿生弹跳机器人——SEUJumper——的离散和连续运动进行研究,建立了折叠式和展开式两种落地摔倒后自复位方法模型,仿真分析了两者的运动性能,建立了离散式和连续式航向调节方法模型,比较了两种模型的优缺点.设计了自复位和航向调节的机构模型,实现了样机制作,并分别在平整实验台和崎岖草地环境中对两种自复位方法和两种航向调节方法进行了测试.实验结果表明,所设计的机构都能完成机器人在平整表面的自复位和航向调节,而只有展开式自复位和连续式航向调节机构可以分别实现在粗糙表面的自复位和航向调节,即在整体离散弹跳运动中加入局部连续运动能提高 SEUJumper 在室外崎岖环境中的运动性能,从而说明充分考虑离散和连续运动的协作设计思路能够增强机器人在非结构化环境中的适用性.

      2016,Vol.38(2):160-168 [摘要] (247) [HTML 1 KB] [PDF 1152 KB] (45)
    169. 陈炜楠, 刘冠峰, 李俊良, 苏泽荣, 管贻生, 张宏
    室内环境的元胞自动机SLAM算法
     

    针对人工室内环境的同时定位与构图(SLAM)问题,将元胞自动机(CA)引入到传统 SLAM 算法的迭代过程,建立“SLAM-CA生长-重定位”的闭环作用机制.利用室内规则环境的特性,以及大多数室内机器人应用领域已知先验地图的特点,对室内 SLAM 问题开展针对性的研究.通过仿真与实验证明,针对人工室内环境,该算法使得墙壁、出入口与直角特征更加明显,“穿墙”现象得到一定程度解决,改善了构图效果,提高了定位精度和路径规划可行性.

      2016,Vol.38(2):169-177 [摘要] (271) [HTML 1 KB] [PDF 663 KB] (53)
    178. 路飞, 田国会, 刘国良, 王宇恒
    智能空间下基于WIFI指纹定位与粒子滤波的服务机器人复合全局定位系统设计
     

    针对机器人在没有任何初始位姿先验知识的情况下,通过传感器感知信息确定位姿的全局定位问题,将智能空间技术与 ROS(robot operating system)服务机器人相结合,设计了一种智能空间技术支持下的基于 WIFI 指纹定位和蒙特卡洛粒子滤波定位的复合服务机器人全局定位系统.在该复合定位方法中,首先利用智能空间中的基于 BP(backpropagation)神经网络的 WIFI 指纹定位对机器人进行粗定位,并将估计位置与估计误差发送给 ROS 服务机器人;在粗定位的基础上使用蒙特卡洛粒子滤波算法方法最终获得服务机器人的精确位置.实验结果表明,本文设计的系统实现了 ROS 机器人与智能空间之间的零配置与松耦合,可有效地提高服务机器人全局定位精度,缩短计算迭代时间.

      2016,Vol.38(2):178-184 [摘要] (241) [HTML 1 KB] [PDF 666 KB] (58)
    185. 杜志元, 闫鹏
    基于桥式放大机构的柔顺微定位平台的研究
     

    在微位移定位平台设计中,为充分利用桥式机构放大比高的优势,同时使其具有较高的定位精度,在桥式机构的基础上引入了运动导向机构,设计了一种改进型的柔顺微位移定位平台.根据材料力学原理和卡氏定理,推导了该定位平台的放大倍数和固有频率表达式.然后通过有限元软件,对微定位平台的放大倍数和固有频率进行仿真,并与理论计算结果进行了分析对比.最后搭建了微定位实验系统来测试所设计的平台的性能.实验结果表明:该改进型平台的放大比为 6.4,固有频率为 345.0 Hz.理论模型与有限元仿真得到的放大倍数和固有频率的相对误差分别为 2.9% 和 3.6%,与实验测得的放大比和固有频率的相对误差分别为 6.7% 和 6.8%.实验结果验证了理论模型的正确性.

      2016,Vol.38(2):185-192 [摘要] (249) [HTML 1 KB] [PDF 798 KB] (38)
    193. 张李俊, 黄学祥, 冯渭春, 胡天健, 梁书立
    基于运动路径靶标的空间机器人视觉标定方法
     

    针对空间缺少标定靶标物的难题,基于空间机器人机械手的精确末端定位能力,提出了一种通过规划机械手运动路径生成靶标从而实现在轨视觉标定的方法.首先介绍了视觉标定方法的总体框架.然后对该标定方法进行了误差分析,根据棋盘靶标标定误差与控制点图像坐标误差满足线性关系的先验知识,推导了从机械手末端定位到控制点图像坐标的误差传递关系,并对两类误差进行合成得到了等效的控制点图像坐标误差.最后利用仿真实验验证了标定误差与等效误差满足线性关系,分析了靶标尺寸、相对距离、控制点密度和靶标结构因素对标定精度的影响.

      2016,Vol.38(2):193-199 [摘要] (235) [HTML 1 KB] [PDF 514 KB] (48)
    200. 尹建芹, 刘小丽, 田国会, 魏军, 张玲, 徐涛
    基于关键点序列的人体动作识别
     

    在不同的光照及视角下,为了实现人体日常生活动作的高识别率,提出了一种基于 Kinect 的识别方法.首先,受到人类进行动作识别时往往关注局部细节动作的启发,层次化地处理了采集到的人体关节点数据:通过判断躯干关节点位置变化的缓慢程度,将动作粗分类为上肢动作和躯干动作;之后对于上肢动作,关注手部关节轨迹变化,而对于躯干动作,关注中心关节点轨迹.然后,通过 C均值聚类法从这两类轨迹中提取关键点,并将动作的轨迹映射到相应的关键点,得到每组粗分类动作的关键点序列.并提出了时序直方图的概念用以建模关键点序列.再通过比较轨迹间关键点序列的相似性,完成动作识别任务.最后,将该算法应用于采集的数据集合,得到了 99% 的识别正确率,表明算法能够有效地完成人体动作识别任务.

      2016,Vol.38(2):200-207,216 [摘要] (244) [HTML 1 KB] [PDF 564 KB] (46)
    208. 王伟, 王伟东, 董为, 杜志江, 孙永平
    基于协作空间与灵巧度的机器人辅助微创手术术前规划算法
     

    机器人辅助微创外科手术的术前准备工作相对于传统微创手术更加复杂和关键.为了提高手术执行效率,充分利用机器人特性,本文以机械臂的运动学性能和器械间的协作能力作为优化目标,相应地提出了机械臂灵巧度指标 IICV 与体内协作空间指标 IICS,设计了一套基于 NSGA-II 的多目标术前规划方法,将微创手术介入位置选择与机械臂初始位姿优化两类术前规划问题作为统一整体优化.最后,将由术前规划算法优化得到的系统性能指标与医生凭借经验给出的结果进行比较.实验结果表明,由优化算法得到的术前规划方案优势明显,能够为机器人辅助微创手术操作提供一个相对理想的手术执行环境.

      2016,Vol.38(2):208-216 [摘要] (225) [HTML 1 KB] [PDF 716 KB] (61)
    217. 冯笑笑, 胡海燕, 李龙委, 李伟达, 孙立宁
    基于力感知的结肠镜机器人柔顺控制
     

    人体肠道具有相对浮动性,形状及位置不完全固定,为了提高结肠镜机器人进行内窥镜检查时的安全性以及可靠性,本文研究了一种基于力感知的结肠镜机器人柔顺控制方法.首先分析及设计了符合结肠镜机器人本体表面结构的压力传感器,然后基于肠道生物力学特性以及机器人关节耦合关系分析,提出其柔顺控制算法.最后,搭建机器人控制系统进行实验,验证该控制方法的可行性.实验结果表明,该柔顺控制方法可有效实现机器人对肠道壁接触压力的感知,使接触压力始终保持在阈值之内,提高了结肠镜机器人肠道检查过程中的安全性和可靠性.

      2016,Vol.38(2):217-224 [摘要] (230) [HTML 1 KB] [PDF 762 KB] (61)
    225. 黄忠, 任福继, 胡敏
    基于RBF神经网络的人形机器人在线面部表情模仿
     

    针对有限数目电机以及手工设置面部表情控制参数的局限,结合基于 Kinect 的主动外观模型,提出一种基于径向基函数神经网络的人形机器人在线面部表情模仿算法.在离线面部表情学习阶段,基于径向基函数网络建立前向机械模型以反映电机控制值与表情形变特征的映射关系,并进一步构建逆向预测模型以规整电机连续运动的平滑度;在在线面部表情模仿阶段,基于前向机械模型和逆向预测模型寻找最优电机值以实现机器人与表演者形变偏差的最小化,并引入权重因子调节表情模仿的瞬时相似度和电机连续运动的平滑度.最后,从均值统计和预测偏差角度验证两模型的合理性和泛化能力,并进一步讨论了权重因子对时空相似性和平滑度的影响.实验结果表明:前向机械模型形变预测偏差不超过 1%,逆向预测模型电机控制偏差不超过 1.5%.与 Jaeckel、Trovato、Magtanong 三种方法相比,本文算法在单帧表情模仿相似度以及多帧表情动作平滑度方面均具较好优势.

      2016,Vol.38(2):225-232 [摘要] (235) [HTML 1 KB] [PDF 647 KB] (44)
    233. 南文虎, 郑海霞, 叶伯生
    基于修型/射靶算法的工业机器人固定路径时间最优轨迹规划
     

    现有方法在求解工业机器人固定路径下的时间最优轨迹规划时,存在计算量大、规划时间长等弊端.为此,首先利用关节空间速度约束不等式,获得关节速度约束下相空间最大速度约束曲线;然后再利用关节加速度/扭矩约束不等式,获得加速度/扭矩约束下的必要最大速度曲线;对这两种最大速度曲线求交集,获得多重约束下的最大速度曲线.最后,采用修型/射靶算法,矫正多重约束下的最大速度曲线,得到最优时间轨迹.通过实验,验证了该算法的高效性和实时性.

      2016,Vol.38(2):233-240 [摘要] (235) [HTML 1 KB] [PDF 537 KB] (41)
    241. 刘安全, 李亮, 罗文广, 谢广明
    一种面向机器鱼的高精度位姿控制算法设计与实现
     

    首先应用一种简单的线性 CPG(中枢模式发生器)模型,实现了机器鱼游动模态的连续变化.随后通过实验分析得到 CPG 控制器控制参数与机器鱼速度和转弯角速度的转换层函数.进一步提出一种改进的比例导引位姿控制算法,以一种新的方式定义机器鱼的位姿误差,再将机器鱼的角度误差作为偏置项加入位置误差的比例控制律中.最后通过实验验证了算法的可行性与有效性.

      2016,Vol.38(2):241-247 [摘要] (314) [HTML 1 KB] [PDF 669 KB] (63)
    248. 王杨, 张强, 肖晓晖
    基于鲁棒建模的气动人工肌肉驱动仿生关节的轨迹跟踪控制
     

    为了简单、高效地实现对由单根气动人工肌肉(pneumatic artificial muscle,PAM)驱动的仿生关节的轨迹跟踪控制,提出了一种基于鲁棒建模方法的级联控制策略.首先,通过解析法建立比例方向控制阀输入电压与 PAM 腔内驱动气压之间的非线性模型.其次,将 PAM 的驱动气压输入和关节角位移输出之间的非线性关系等效为一个含有参数摄动的 2 阶线性时不变模型,并通过鲁棒建模方法辨识模型参数.再者,对应由以上两个模型(即非线性模型和线性时不变模型)组成的混合模型,提出一种级联控制器,其外环是一个采用回路成形设计程序(loop-shaping design procedure,LSDP)法设计的用于角度位置跟踪的 H 控制器,内环是一个基于反馈线性化理论的用于 PAM 腔内驱动气压控制的非线性控制器.最后,在回转角度小于 90° 且工作频率上限小于 1.25 rad/s 的实验条件下,关节对参考轨迹实现了稳态误差小于 2% 的跟踪.本研究表明,在工作频率相对较低的情况下,采用所提策略可以对高度非线性系统实现有效的轨迹跟踪控制.

      2016,Vol.38(2):248-256 [摘要] (254) [HTML 1 KB] [PDF 1092 KB] (54)
     
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