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    北京2022年冬奥会和冬残奥会火炬传递机器人
    田启岩, 李硕, 杨丽英, 邵士亮, 张弼, 高岳, 帅梅
    机器人, 2022, 44(5): 513-521.   DOI: 10.13973/j.cnki.robot.220162
    摘要283)   PDF(1368KB)(239)   
    面向北京冬奥会对机器人跨域火炬传递的需求,研发水陆两栖机器人、水下变结构机器人、空中飞行机器人、地面机器人、冰雪面六足机器人和助力外骨骼机器人等6型面向火炬接力的系列机器人,利用这些机器人可在地面、空中和水下完成火炬传递。最终,根据北京2022年冬奥会火炬接力路线方案的调整,将水陆两栖机器人、水下变结构机器人和水下特种火炬应用于北京2022年冬奥会火炬传递活动中,实现了奥运史上首次机器人与机器人之间的水下火炬传递;助力外骨骼机器人应用于北京2022年冬残奥会火炬传递活动中,残疾人代表使用下肢助力外骨骼进行了火种汇集,两位残疾人火炬手分别借助上肢和下肢助力外骨骼机器人一起进行了火炬传递,传递出“科技改变生活”的理念,体现出“技术温暖人心”的精神。
    参考文献 | 相关文章 | 多维度评价
    冬奥冰壶六足机器人研究
    高峰, 齐臣坤, 陈先宝, 尹科, 赵越, 高岳
    机器人, 2022, 44(5): 533-537.   DOI: 10.13973/j.cnki.robot.220175
    摘要182)   PDF(735KB)(150)   
    冰壶六足机器人是北京2022年冬奥会组委会需求的唯一进入冬奥会赛场的机器人。开发该机器人的目的是借助北京冬奥会展示我国机器人的自主创新能力和水平。我们重视独特设计创意,通过模仿冰壶运动员投掷冰壶的“行为特征”来设计和开发冰壶六足机器人。冰壶六足机器人设计面临多项挑战,要解决模仿人投掷冰壶行为的六足机器人的构形综合、投掷冰壶任务链与机器人行为链关联特征建立、机器人击打冰壶行为规划等问题。研制的冰壶六足机器人在北京2022年冬奥会冰立方冰壶赛场上顺利完成击打冰壶表演。
    参考文献 | 相关文章 | 多维度评价
    水下视觉环境感知方法与技术
    喻俊志, 孔诗涵, 孟岩
    机器人, 2022, 44(2): 224-235.   DOI: 10.13973/j.cnki.robot.210323
    摘要666)   PDF(572KB)(492)   
    有效感知水下环境是水下机器人自主运动与作业的关键。本文首先对水下视觉环境感知的共性问题进行分析,总结了视觉退化和折射畸变两大共性问题对水下视觉成像产生的影响。其次,围绕如何应对上述挑战,分别从水下视觉恢复方法、水下3维视觉感知以及水下视野增强方法3个方面对国内外主流的水下视觉环境感知方法的研究现状展开综述。最后,对水下视觉环境感知的未来发展趋势进行展望,重点包括集群化视觉感知、多模态感知信息融合、仿生视觉感知等热点研究方向。
    参考文献 | 相关文章 | 多维度评价
    面向接管控制的空间机器人操控技术综述
    刘习尧, 常海涛, 黄攀峰, 韩冬, 鲁迎波
    机器人, 2022, 44(1): 90-106.   DOI: 10.13973/j.cnki.robot.210229
    摘要440)   PDF(5323KB)(267)   
    为了延长在轨故障卫星的寿命、移除重要轨道位置上的空间碎片或失效卫星,使用空间机器人对空间目标的姿态或/和轨道进行接管控制变得越来越重要。本文系统调研了各类可用于对空间目标进行接管控制的手段,并将其按照与目标接触方式的不同,分成了刚性接管控制、绳系柔性接管控制以及非接触式接管控制,对各种接管控制手段进行了详细的阐述。最后对这3类接管控制手段的具体原理、操作方式及关键技术进行了系统的总结和分析,概括了各自的特点以及优劣势,对相关领域的理论与实践研究进行了展望。
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    空间机械臂操控技术研究综述
    薛智慧, 刘金国
    机器人, 2022, 44(1): 107-128.   DOI: 10.13973/j.cnki.robot.210243
    摘要790)   PDF(22154KB)(756)   
    考虑到空间机械臂在执行在轨维修、在轨组装、在轨加注等复杂危险的空间任务时,其精准、灵巧的操控技术的重要性,从不同类型空间机械臂构形、末端执行器出发,分析了空间机械臂的发展趋势。综述了空间机械臂操控过程中涉及的5项关键技术,包括:交会对接与捕获技术、自主规划与智能控制技术、传感与感知技术、智能协同与操控技术及系统安全保障技术。最后,就现有的空间机械臂在操控过程中面临的问题,提出未来的发展方向及展望。
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    胸腹腔经皮穿刺机器人研究进展及关键技术分析
    段星光, 温浩, 何睿, 李学松, 邱建星
    机器人, 2021, 43(5): 567-584.   DOI: 10.13973/j.cnki.robot.200585
    摘要533)   PDF(1148KB)(419)   
    为促进我国经皮穿刺机器人的研究与发展,综述了国内外胸腹腔经皮穿刺机器人的研究现状.对穿刺机器人所涉及的术区信息感知、柔性针穿刺、运动规划、主从控制、安全交互控制等关键技术进行了讨论与分析.在总结研究成果与分析关键技术的基础上,指出胸腹腔经皮穿刺机器人今后的发展趋势与面临的挑战.
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    康复机器人及其临床应用综述
    程洪, 黄瑞, 邱静, 王艺霖, 邹朝彬, 施柯丞
    机器人, 2021, 43(5): 606-619.   DOI: 10.13973/j.cnki.robot.200570
    摘要687)   PDF(666KB)(479)   
    对康复机器人及其临床应用研究进展进行了综述,从运动障碍康复机器人和认知障碍康复机器人方面对康复机器人进行了归纳总结,并针对每项技术提出了一些发展趋势的展望.最后以脑卒中患者的临床康复为例介绍了康复机器人在其康复训练中的临床应用案例及其发展趋势.
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    一种面向狭小、拥挤情景的服务机器人运动规划方法
    张森, 周磊, 刘梦, 胡郑希, 赵英利, 刘景泰
    机器人, 2021, 43(3): 269-278.   DOI: 10.13973/j.cnki.robot.200242
    摘要798)   PDF(797KB)(649)   
    针对多维度服务情景中狭小、拥挤的一类情景,设计了一种能够兼顾移动机器人的移动效率和机器人在移动过程中对周围人的舒适感受所造成的影响的运动规划方法.该方法通过紧张空间来刻画人的舒适需求,然后通过人的紧张空间在机器人运动的影响下所产生的形变程度对机器人的运动与人的舒适感受之间的关系进行建模,进而以机器人的移动效率和人的舒适感受为优化目标实现运动规划.最后,通过仿真研究验证了本文方法的有效性,进而通过狭小、拥挤服务情景的研究体现了基于多维度服务情景的服务机器人研究框架的适用性.
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    眼科手术器械操作黏弹性组织的导纳控制方法
    郑昱, 贺昌岩, 林闯, 韩少峰, 广晨汉, 陈子路, 杨洋
    机器人, 2021, 43(3): 289-295.   DOI: 10.13973/j.cnki.robot.200497
    摘要311)   PDF(604KB)(202)   
    基于广义Maxwell黏弹性模型建立手术器械与眼组织之间的黏弹性接触模型,并通过力松弛实验对接触模型的参数进行辨识.进而在此基础上提出一种导纳控制方法,通过控制手术器械的位移实现对接触力的控制.该方法将传统的导纳控制器替换为比例-积分(PI)控制器,从而将黏弹性接触模型中的理想微分环节替换为1阶微分环节.替换后,在低频段,尤其是频率趋近于0时的幅频响应可得到提升并保持稳定,从而避免幅频响应过低导致的接触力衰减.通过对离体猪眼球进行力控制实验验证了该控制方法的有效性.实验结果表明,阶跃力平均误差约为4.6%,响应时间约为2.5 s,无明显超调,并可实现一定频率的正弦力输出.阶跃力输出精度可以满足机器人辅助眼科手术的要求.
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    基于主方向傅里叶变换算子的2D/3D分级配准
    杨克克, 罗阳, 赵忆文, 赵新刚, 宋国立
    机器人, 2021, 43(3): 296-307.   DOI: 10.13973/j.cnki.robot.200425
    摘要338)   PDF(698KB)(152)   
    目前的2D/3D医学图像配准方法的配准精度和效率存在矛盾,配准捕获范围小.为解决这些问题,本文提出一种基于主方向傅里叶变换算子的分级配准方法.首先,提出平面旋转平移不变性算子——主方向傅里叶变换算子.然后,提出基于主方向傅里叶变换算子的模板匹配初始化方法,可避免接近真值的初值需求,并显著扩大了捕获范围.最后,提出基于主方向傅里叶变换算子的分级配准框架,将配准搜索空间从 On 6)降到 On 2),在保证配准精度的情况下大幅提高配准效率.在配准实验中,本文方法的配准精度为0.68 mm ±0.28 mm,配准时间为16.87 s ±3.77 s,捕获范围大于100 mm.因此,所提出的基于主方向傅里叶变换算子的分级配准方法可以满足2D/3D图像配准在相关临床应用中精度、效率及捕获范围的需求.
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    RAOS:3维机器人主动嗅觉仿真平台
    井涛, 杨子祯, 孟庆浩
    机器人, 2021, 43(3): 308-320.   DOI: 10.13973/j.cnki.robot.200270
    摘要412)   PDF(872KB)(145)   
    为便于开展气味源定位或烟羽建图等研究,设计了3维机器人主动嗅觉仿真平台RAOS(robot activeolfaction simulator). RAOS围绕旋翼无人机主动嗅觉研究进行设计,同时支持地面移动机器人仿真,主要包括3维场景、机器人、风场、气味扩散及传感器仿真5部分.通过CAD(computer aided design)软件生成3维场景并导入仿真平台;采用CFD(computational fluid dynamics)软件仿真环境自由风场;基于旋翼无人机气动嗅觉效应模型仿真尾流诱导风场,并利用全连接网络近似计算诱导风场以提高计算实时性;结合CFD环境风场和烟丝扩散模型对气味扩散过程进行仿真;同时提出了简化的TDLAS(tunable diode laser absorption spectroscopy)传感器仿真模型.为验证仿真环境与真实环境中气味扩散过程的一致性,提出利用弗雷歇距离和推土机距离2个指标分别定量地描述气味扩散轮廓和气味浓度分布的相似性,结合KS(Kolmogorov-Smirnov)检验进行一致性判定.通过与实物实验及风洞数据对比,验证了RAOS平台仿真烟羽与真实环境烟羽扩散分布的一致性,可为3维环境主动嗅觉研究提供一致、可重复的仿真环境.
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    基于SE-CNN的服务机器人运动系统云端故障诊断方法
    缪昭明, 袁宪锋, 张晖, 颜亮, 周风余, 郭仁和, 汪佳宇
    机器人, 2021, 43(3): 321-330.   DOI: 10.13973/j.cnki.robot.200295
    摘要255)   PDF(672KB)(166)   
    研究并设计了一种基于服务机器人云平台的故障诊断系统.传统算法只关注服务机器人某一时刻的状态数据,所提取的特征信息有限,因而难以较好地完成故障诊断任务.在这种背景下,提出了基于时间序列关联特征的故障诊断方法.首先,对采集的服务机器人数据进行归一化和后向差分预处理,消除数据量纲并获取数据变化特征;其次,利用滑动窗口来生成时间序列样本,保证每个样本包含足够的特征信息;然后,应用卷积神经网络(CNN)挖掘时间序列的关联特征,并在网络中引入通道注意力网络(squeeze-and-excitation network,SENet),构建了一种SE-CNN模型.该模型能够自适应调整特征通道的重要程度,聚焦于更有效的特征通道,从而提高了诊断精度.对比实验与实际场景下的综合测试证明了本文提出的故障自诊断方法的可行性和有效性.
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    面向柔软样品的AFM纳米操作可视化系统
    王超, 武毅男, 方勇纯, 樊志, 刘存桓
    机器人, 2021, 43(3): 331-339.   DOI: 10.13973/j.cnki.robot.200205
    摘要188)   PDF(653KB)(89)   
    在对细胞、生物大分子等柔软样品进行纳米操作时,原子力显微镜(atomic force microscope,AFM)面临缺乏实时视觉反馈的问题.为此,搭建了一套面向柔软样品的AFM纳米操作可视化系统.具体而言,首先建立了AFM形貌图像坐标系到虚拟场景坐标系之间的映射关系,从而得到虚拟场景中样品的顶点信息,进而通过3维图形引擎渲染样品的虚拟形貌.在此基础上,提出了一种基于接触力学理论的样品形变估计和仿真方法,对探针按压导致的样品形变进行了虚拟视觉反馈,从而使得刻画的虚拟形貌能够和样品的真实形貌保持一致,并准确地还原按压过程中样品表面的形貌变化.仿真和实验结果表明,所设计的纳米操作可视化系统能够在虚拟场景中实时呈现AFM纳米操作过程.
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    基于难例挖掘和自适应时间正则化的视觉目标跟踪算法
    黄月平, 李小锋, 齐乃新, 卢瑞涛, 张胜修
    机器人, 2021, 43(3): 350-363.   DOI: 10.13973/j.cnki.robot.200370
    摘要223)   PDF(781KB)(130)   
    针对复杂情况下视觉目标跟踪算法性能严重退化的问题,提出一种基于难例挖掘和自适应时间正则化的视觉目标跟踪算法.首先,该算法在Staple算法基础上,深度挖掘困难负样本用于相关滤波器训练,提高了跟踪算法的抗干扰能力;其次,加入自适应时间正则化约束,根据目标响应图的变化情况,自适应确定时间正则化系数及模型更新策略,增强了跟踪算法的鉴别能力.在数据集OTB-2015、TC-128和UAV123上的实验结果表明,该算法能够有效应对复杂情况下跟踪性能退化的问题,且运行速度超过30帧/秒,满足实时性需求,综合性能优于对比算法.
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    基于场景深度估计的自然光照水下图像增强方法
    王丹, 张子玉, 赵金宝, 梁文峰, 杨谢柳, 范慧杰, 唐延东
    机器人, 2021, 43(3): 364-372.   DOI: 10.13973/j.cnki.robot.200275
    摘要401)   PDF(702KB)(255)   
    针对水下图像模糊、对比度低且色彩失真的问题,结合修正的水下成像模型,提出一种基于场景深度估计的自然光照水下图像增强方法.首先,依据自然光照条件下水下图像场景亮度与场景深度总体成正比的先验理论,对图像的亮度信息进行最小值滤波和软抠图处理以实现场景深度估计;然后,结合暗通道先验知识和场景深度信息进行离散像素点的后向散射分量估计,根据修正的水下成像模型来拟合和去除后向散射;最后,采用基于色适应的颜色校正方法对直接分量进行色偏校正,利用线性拉伸方法来提升图像的亮度和对比度.水下多场景条件下的实验结果表明,本文方法可有效地去除后向散射引起的雾样模糊,提高图像对比度并校正颜色偏差.
    参考文献 | 相关文章 | 多维度评价
    基于单目相机的视觉重定位方法综述
    陈宗海, 裴浩渊, 王纪凯, 戴德云
    机器人, 2021, 43(3): 373-384.   DOI: 10.13973/j.cnki.robot.200350
    摘要754)   PDF(586KB)(639)   
    综述了单目相机重定位的研究现状和最新进展,介绍了该领域的关键方法.不同于现有对重定位方法进行纵向分类的方式,本文提出了一种从场景模型构建、环境信息匹配、相机位姿解算3个方面进行展开的直观、统一的横向视觉定位结构体系,在该体系中基于深度学习以及基于几何结构的视觉重定位方法首次被统一地对比阐述.基于深入的性能分析讨论和可视化结果,指出了目前该领域导致性能瓶颈的因素和仍然存在的挑战,并对当前性能优越的相机位姿估计方法进行了分析和总结.最后展望了未来相机重定位估计方法的发展动向.
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    基于深度学习的视觉SLAM综述
    赵洋, 刘国良, 田国会, 罗勇, 王梓任, 张威, 李军伟
    机器人, 2017, 39(6): 889-896.   DOI: 10.13973/j.cnki.robot.2017.0889
    摘要5519)   PDF(474KB)(4689)   
    综述了深度学习技术应用到同步定位与地图创建(SLAM)领域的最新研究进展,重点介绍和总结了深度学习与帧间估计、闭环检测和语义SLAM结合的突出研究成果,并对传统SLAM算法与基于深度学习的SLAM算法做了深入的对比研究.最后,展望了未来基于深度学习的SLAM研究发展方向.
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