1 昆明理工大学机电工程学院,云南 昆明 650500
2 云南省先进装备智能制造技术重点实验室,云南 昆明 650500
针对移动机器人在进行传统2D环境的定位时所存在的定位精度低且定位实时性差等问题,提出一种改进的迭代近邻点(ICP)算法的定位方法。首先,建立位姿搜索空间,采用由低到高的分辨率对搜索空间进行逐层搜索,并结合多点云密度进行部分点云扫描匹配,排除非最优位姿,加速搜索过程;在进行点云匹配中,采用帧对图的方式,有效地利用了历史帧信息;对得到的最优位姿进行稀疏矩阵位姿优化,进一步提高定位精度。在SLAM Benchmark数据集上进行测试,结果表明所提方法的算法效率是现流行的Cartographer算法的1.8倍到4.9倍之间,同时平移误差较小。并利用Turtlebot2机器人进行实际测试,结果表明所提方法的定位误差相比Cartographer和Gmapping均有明显的降低,且实时性较好;与传统的自适应蒙特卡罗重定位(AMCL)相比,平移误差均值降低了0.035 m,旋转误差均值降低了0.001 rad,具有较高的重定位精度。
激光雷达 移动机器人定位 多分辨率 迭代近邻点 多点云密度 激光与光电子学进展
2024, 61(8): 0811001
1 西南科技大学信息工程学院,四川 绵阳 621000
2 中国船舶航海保障技术实验室,天津 300131
3 天津航海仪器研究所,天津 300131
4 特殊环境机器人技术四川省重点实验室,四川 绵阳 621000
轮式里程计在复杂不平的地形和光滑的地面上性能较差,传统的激光扫描匹配方法并不总是正确地建立点云之间的对应关系,容易出现点与点之间的异常关联,导致定位精度较差。针对这一问题,提出一种基于方向端点的激光扫描匹配方法。首先,从环境中提取直线端点作为特征点,通过端点间的特征匹配得到相邻时刻移动机器人的相对位姿关系。基于端点的匹配方法在特征点较少时有可能会产生误匹配,为进一步提高匹配精度,利用端点的方向剔除误匹配的特征点。在此基础之上,利用迭代最近邻法进一步优化方向端点的匹配结果,得到更加精准的移动机器人位姿。实验结果表明,所提方法在7 m×7 m的室内光滑地面环境中,能够达到0.12 m的平均定位误差以及1.18°的平均角度误差,与传统的激光扫描匹配方法相比精度更高。
移动机器人定位 激光扫描匹配 特征匹配 激光里程计 激光与光电子学进展
2024, 61(4): 0428010
1 哈尔滨工业大学仪器科学与工程学院先进光电成像技术研究室,黑龙江 哈尔滨 150080
2 哈尔滨医科大学附属第二医院神经外科室,黑龙江 哈尔滨 150086
3 东北林业大学机电工程学院,黑龙江 哈尔滨 150040
4 北京协同创新研究院,北京 100094
5 北京大学未来技术学院国家生物医学成像科学中心分子医学研究所膜生物学国家重点实验室,代谢及心血管分子医学北京市重点实验室,北京 100871
管道机器人是对复杂系统中管道损伤进行检测和评估的主要工具之一,通过沿行进方向搭载成像系统,实现了在管道中的运动导航和内环境观察。然而,这会导致管壁信息存在于图像传感器边缘,不可避免地会受到镜头畸变的影响而降低对损伤的检测精度,提高对损伤的定量难度。而搭载额外的成像系统观察管壁会大大增加机器人的承载负荷和整体体积,尤其在小尺寸管道机器人中。设计一款适用于管道机器人的微型化管壁成像系统。经过元件选型、光学系统优化和3D打印集成后,整个系统的体积为25 mm×30 mm×12 mm,最优横向分辨率为15.63 μm。最后利用该系统制作了一款微型管道机器人,验证了其成像效果和定量能力。此系统有望搭载到其他管道机器人上作为扩展载荷,提升对管壁细节信息的捕捉能力。
管道机器人 微型化成像系统 管壁检测 光学系统优化设计 激光与光电子学进展
2024, 61(2): 0211013
为实现复杂工况下焊接机器人精准识别焊缝目标, 将激光视觉传感技术应用于机器人焊缝识别中。以激光视觉传感器作为核心硬件, 构建焊接图像采集系统, 运用PCI总线卡检测传感器及外部指示灯是否为连接状态, 通过PXR800图像采集卡在规定时间内得到激光焊接图像, 使用串口通信程序完成图像高效传输。分别采用双边滤波器与模糊算子实施图像去噪与增强处理, 优化图像角点与激光条纹中心点, 利用等式约束方程修正卡尔曼滤波后的图像坐标值, 完成高精度焊缝识别任务。仿真结果证明, 激光视觉传感能够帮助机器人提升焊缝识别精度、增强抗干扰能力, 为焊接机器人的推广应用发挥积极作用。
激光视觉传感 焊接机器人 焊缝识别 图像采集 卡尔曼滤波 laser vision sensing welding robot weld identification image acquisition Kalman filtering
甘肃同兴智能科技发展有限责任公司,甘肃兰州 730046
在传感器无法满足相关条件的情况下,变电站机器人巡视轨迹的点云数据不能准确匹配,为此提出红外图像特征融合下变电站机器人巡视轨迹三维点云配准方法。提取机器人运动方向梯度直方图和局部自相似描述两种特征,即 HOG特征和 LSS特征,并采用多特征自适应融合方法融合两种特征,并通过三维点云初步配准获取融合后轨迹特征的关键点和最佳的目标轨迹位姿参数,采用优化的迭代最近点算法精配准巡视轨迹,提升巡视轨迹位姿配准结果。实验结果表明:所研究方法特征融合效果良好,能够提升图像的边缘清晰程度,融合后偏差指数均低于 0.2,准确完成不同大小图像中关键点的配准,并且配准后的巡视轨迹与期望轨迹吻合程度较高。
红外图像 特征融合 变电站机器人 巡视轨迹 三维点云配准 关键点 infrared image, feature fusion, substation robot,
光学 精密工程
2023, 31(23): 3504
光学 精密工程
2023, 31(21): 3135
1 江西理工大学 能源与机械工程学院,江西南昌33003
2 福州大学 机械工程及自动化学院,福建福州350108
为了实现空间机器人捕获航天器及辅助对接操作的柔顺化,对航天器对接装置的输出力与位姿的精确控制进行了研究,且在关节电机与机械臂之间添加了弹簧阻尼缓冲装置,以防止接触、碰撞时产生的巨大冲击力造成关节破坏。首先,结合Newton第三定律、捕获点的速度约束及闭链系统的几何约束,获得了捕获航天器后的混合体系统动力学方程,通过动量守恒关系计算了碰撞冲击效应与冲击力。接着,通过航天器对接装置相对载体坐标系的运动学关系,建立了对接操作过程中的阻抗模型。然后,设计了一种鲁棒自适应双层滑模控制策略,其与阻抗控制相结合,采用力加载随动控制系统实现对接装置的位姿与输出力的精确控制,以降低接触、碰撞时的冲击力。该控制策略具有双层滑模结构,其第一层保证混合体系统在有限时间内收敛,第二层用于解决控制的高增益问题。最后,通过Lyapunov定理证明了系统的稳定性;利用数值仿真验证了所提控制策略的有效性。仿真结果表明,在给定的速度下缓冲装置最大可将碰撞冲击力矩降低46.78%,输出力的控制精度优于0.5 N,位置、姿态的控制精度优于10-3 m,0.5°。
双臂空间机器人 缓冲装置 辅助对接操作 阻抗控制 双层滑模 dual-arm space robot buffer device auxiliary docking operation impedance control double layer sliding mode 光学 精密工程
2023, 31(22): 3266
1 山东大学 信息科学与工程学院,青岛 266237
2 山东大学 山东大学(青岛)公共(创新)实验教学中心,青岛 266237
高校通识课程中不乏机器人技术相关课程,但存在数量相对较少,重理论轻实践,缺乏适用教学资料,以及未有效利用机器人教学资源等现实问题。该文结合开展机器人通识教育的实际情况,将实验教学引入机器人通识课程,充分利用现有机器人实验教学资源,保证实践内容在课程中占较大的比例。开设适合通识教育的、能够普遍推广的机器人创新实践课程,对传统教学方案进行改革,同时推进机器人实验室的开放共享。实践证明,在保证教学内容先进性的前提下,实现以学生为中心的实验教学模式,通过线上、线下教学相结合,让学生的学习和探索能够延伸到课外,教学效果良好。
机器人 实验教学 通识课程 教学方案 robot experimental teaching general course teaching scheme