Position Errors and Interference Prediction-Based Trajectory Tracking for Snake Robots

This work presents a trajectory tracking control method for snake robots. This method eliminates the influence of time-varying interferences on the body and reduces the offset error of a robot with a predetermined trajectory. The optimized line-of-sight (LOS) guidance strategy drives the robot’s steering angle to maintain its anti-sideslip ability by predicting position errors and interferences. Then, the predictions of system parameters and viscous friction coefficients can compensate for the joint torque control input. The compensation is adopted to enhance the compatibility of a robot within ever-changing environments. Simulation and experimental outcomes show that our work can decrease the fluctuation peak of the tracking errors, reduce adjustment time, and improve accuracy.     

Modular Reconfigurable Robots in Space Applications

Robots used for tasks in space have strict requirements. Modular reconfigurable robots have a variety of attributes that are well suited to these conditions, including: serving as many different tools at once (saving weight), packing into compressed forms (saving space) and having high levels of redundancy (increasing robustness). In addition, self-reconfigurable systems can self-repair and adapt to changing or unanticipated conditions. This paper will describe such a self-reconfigurable modular robot: PolyBot. PolyBot has significant potential in the space manipulation and surface mobility class of applications for space.     

Finite-Time Sideslip Differentiator-Based LOS Guidance for Robust Path Following of Snake Robots

This paper presents a finite-time sideslip differentiator-based line-of-sight(LOS) guidance method for robust path following of snake robots. Firstly, finite-time stable sideslip differentiator and adaptive LOS guidance method are proposed to counteract sideslip drift caused by cross-track velocity. The proposed differentiator can accurately observe the cross-track error and sideslip angle for snake robots to avoid errors caused by calculating sideslip angle approximately. In our method, the des...     

Comments on “Sidewinding with Minimal Slip: Snake and Robot Ascent of Sandy Slopes”

Marvi et al(Science,2014,vol.346,p.224)concluded a sidewinder rattlesnake increases the body contact length with the sand when granular incline angle increases.They also claimed the same principle should work on robotic snake too.We have evidence to prove that this conclusion is only partial in describing the snake body-sand interaction.There should be three phases that fully represent the snake locomotion behaviors during ascent of sandy slopes,namely lifting,descending,and ceasing.The snake body-sand interaction during the descending and ceasing phases helps with the climbing while such interaction during the lifting phase in fact contributes resistance.     

多模块蛇形管道打磨机器人的设计与分析

设计了一种由多个模块构成的蛇形管道打磨机器人,各个模块之间可以快速拆装,其中驱动模块为机器人在管道中前行提供动力牵引.该机器人可以主动适应内径为250 mm～450 mm的直管道、弯管道及其组合管道,可以在管道内部实现以打磨作业为主的作业功能.同时,提出了适用于蛇形管道打磨机器人自身过弯管的速度模型,通过对机器人的力学分析得出各个模块之间相互作用力的计算方法及影响机器人在管道内部转体运动发生的因素.在ADAMS软件中进行了虚拟样机仿真验证,初步验证了蛇形管道打磨机器人的通过性并得出机器人在管道内部前行的最佳匹配.最后,搭建了实验平台,制作了机器人真实样机,验证了机器人对内径为250 mm～450 mm管道的适应性、通过性及作业效果.     

移动机器人视觉惯性SLAM研究进展

在研究领域,基于滤波和基于优化是两种实现视觉惯性SLAM(同时定位与地图创建)的主导方法.本文基于这两种方法介绍视觉惯性SLAM,说明了视觉惯性SLAM的最新研究进展和关键问题,对比了几种代表性的视觉惯性SLAM框架,并对未来进行了展望.     

典型安装方式的协作机器人基坐标系标定方法

针对地面式、侧墙式、顶棚式三种典型安装方式下的协作机器人的基坐标系标定问题,采用了一种新的操作步骤简单、标定结果精确的机器人基坐标系标定方法。该方法通过在协作机器人的公共空间中构造四点"握手"动作并分别记录接触点在每个机器人的基坐标系下的坐标,求解协作机器人基坐标系间的旋转矩阵和平移矩阵,从而得到协作机器人基坐标系间的位姿关系。针对工业机器人常见的地面式、侧墙式、顶棚式三种典型安装方式进一步分析了机器人基坐标系间的约束关系,并利用这些约束关系对标定结果做出进一步的优化处理。为验证提出的标定方法的有效性,基于Matlab的机器人工具箱完成了仿真实验,仿真实验的标定误差控制在2mm以内,该精度可满足一般弧焊、搬运、切割等生产过程的定位精度要求。仿真实验的结果验证了提出的标定方法的正确性,表明该方法可有效的解决生产环境下的协作机器人的基坐标系标定问题。     

面向蛇形机器人的三维步态控制的层次化联结中枢模式生成器模型

提高蛇形机器人的三维运动控制能力是提高蛇形机器人环境适应能力的关键之一. 虽然联结中枢模式生成器(Connectionist central pattern generator, CCPG)模型具有复杂度小、适合硬件实现等优点, 但是目前的CCPG模型难以生成相位协调的多自由度运动的控制信号,从而限制了它的三维步态控制能力. 本文根据生物CPG机制的分层结构和运动神经元的功能,提出一个有层次化结构的CCPG (Hierarchical CCPG, HCCPG)模型. HCCPG模型由基本节律信号生成层、模式形成层、运动信号调整层这三个部分组成. 运动信号调整层的运动神经元能够独立地对模式形成层的输出信号的幅值、相位等进行调整,从而较好地 解决了CCPG模型难以生成相位协调的多自由度运动控制信号的问题. HCCPG模型具有步态控制能力强、复杂度小、有良好的扩展性等优点,从而适合用于控制三维步态. 在HCCPG模型的基础上提出一个三维步态控制方法.仿真验证了这个控制方法的有效性.     

基于Hopf振荡器实现的蛇形机器人的步态控制

针对生物蛇不同步态的运动特点,提出了一种基于Hopf振荡器实现的蛇形机器人的中枢模式发生器(CPG)运动控制方法.首先,利用具有非线性极限环特性的耦合的Hopf振荡器构建出能够实现蜿蜒运动和侧向蜿蜒运动两种步态的链式网络模型.然后,根据动力学仿真软件建立机器人的虚拟样机,利用模型中振荡器的输出作为蛇形机器人分布式多冗余度关节的控制信号来驱动前进,成功实现了以上两种运动方式,并讨论了CPG的模型参数与机器人前进速度的关系.最后,在实物样机上的实验进一步验证了所提出的方法在实现蛇形机器人多种步态控制方面的有效性.     

基于虚拟障碍物的移动机器人路径规划方法

针对城市道路环境,将全局路径规划方法和局部路径规划方法相结合,提出了基于虚拟障碍物的路径规划方法.该方法首先采用A*算法得到一条全局最优的车道路径,然后根据全局最优的路径生成虚拟障碍物,最后将虚拟障碍物与传感器探知的实际障碍物融合,采用改进的向量直方图方法进行局部路径规划.该方法不仅能够充分利用已知环境信息生成全局最优...     

基于ROS的蛇形机器人基本仿生运动与自主爬台阶控制

设计了一种带正交关节和主动轮组合的蛇形机器人。该机器人不仅能够实现基本的蜿蜒运动、纵向行波运动、横向翻滚运动和横向行波运动,且针对台阶式障碍物提出了一种自主爬越台阶的控制策略。机器人通过激光测距传感器与头部关节的仰角得到台阶高度,抬起相应高度的关节将头关节搭在台阶上,控制主动轮的推进速度与关节抬起的角速度相结合的方式达到上台阶的目的,并且在运动过程中将头部俯仰关节舵机的负载反馈作为判别下台阶的条件。基于ROS （robot operating system）构建了蛇形机器人仿真模型,并通过仿真与实验验证了机器人的基本运动控制和自主爬台阶控制策略的有效性。     

轻型履带式移动机器人虚拟样机实现方法

简要介绍了虚拟样机及其支撑技术。针对虚拟样机动力学仿真软件ADAMS建模功能一般的特点,提出采用SolidWorks与ADAMS结合的三维建模与动力学仿真的通用方法。在轻型履带式移动机器人的虚拟样机构建中,考虑到履带部件建模及添加运动副、受力等操作的重复性,以ADAMS宏命令来建立参数化的虚拟样机模型,然后进行仿真分析并绘制结果曲线。     

一种多足步行机器人行走状态分析模型

结合步行机器人行走的动力学特性,通过对机器人的加速度传感器信息进行离散傅立叶变换,建立了行走相关特征值的概率模型.通过使用马氏距离作为判定标准,对步行机器人的行走稳定性给出定量描述.四足步行机器人平台上的实验结果表明,该模型能够实时反映机器人的行走特性,帮助机器人在行走状态受环境影响发生改变时,根据行走特征及时调整运动,保证其稳定性.     

移动机器人视觉里程计综述

定位是移动机器人导航的重要组成部分.在定位问题中,视觉发挥了越来越重要的作用.本文首先给出了视觉定位的数学描述,然后按照数据关联方式的不同介绍了视觉里程计（Visual odometry,VO）所使用的较为代表性方法,讨论了提高视觉里程计鲁棒性的方法.此外,本文讨论了语义分析在视觉定位中作用以及如何使用深度学习神经网络进行视觉定位的问题.最后,本文简述了视觉定位目前存在的问题和未来的发展方向.     

Position Control of Robots by Nonlinearity Estimation and Compensation: Theory and Experiments

To improve the performance of position controllers of robots, a designapproach using the method of nonlinearity estimation and compensation ispresented. The controller designed has a similar structure to that of thelinear independent joint control. Nonlinearities in the robot dynamics areestimated by a state observer based on approximate linear models of thesystem, and then compensated by an appropriate feedback. The paper presentsthe theory how to design such a controller as well as the experimentalresults verifying its performance.     

水下机器人在渔业中的应用现状与关键技术综述

总结了2007～2021年水下机器人在渔业环境监测与水生动物行为监视、水生动物视觉识别与捕获、水生动物生存环境维护方面的应用现状,综述了在渔业场景下应用的水下机器人的关键技术,分析了水下机器人结构设计与外形优化技术、水下机器视觉与图像增强技术、水下运动规划和水下环境信息获取与传输技术等的研究现状与存在的问题。最后,展望了专用于渔业场景的水下机器人在未来的研究方向。     

变刚度机构及其在协作型机器人中的应用

协作型机器人被广泛应用于自动化和物料搬运。为承载有效载荷并实现精确运动,协作型机器人需要具备足够的刚性。此外,为满足人机交互的安全性,协作型机器人还需要具备足够的灵活性,变刚度机器人则同时满足了安全性与刚性的要求。该文首先介绍了变刚度机器人的相关研究和几种基于机械结构的可变刚度方法,并对其工作原理进行分类;然后根据刚度范围、刚度比和响应时间等标准,对现有方法进行定量比较,简单总结各种方法的优缺点,并介绍了相关变刚度机构在协作型机械臂和抓手中的应用。     

一种有效的移动机器人里程计误差建模方法

移动机器人里程计误差建模是研究移动机器人定位问题的基础. 现有的移动机器人里程计误差建模方法多数针对某一种驱动类型移动机器人设计, 运动过程中缺乏对里程计累计误差的实时反馈补偿, 经过长距离运动过程定位精度大幅度降低. 因此本文针对同步驱动和差动驱动轮式移动机器人平台提出了一种通用的里程计误差建模方法. 在假设机器人运动路径近似弧线基础上, 依据里程计误差传播规律推导了非系统误差、系统误差与里程计过程输入之间的近似函数关系, 进而提出一种具有闭环误差实时反馈补偿功能的移动机器人定位算法, 对定位过程中产生的里程计累计误差给予实时反馈补偿. 实验表明新算法有效地减少了里程计累计误差, 提高了定位精度.     

未知环境下基于FSA的移动机器人导航策略

采用2D激光雷达作为主要传感器,设计了一种未知室内环境下的移动机器人导航策略;该策略首先把机器人室内环境下的导航行为分为3个状态集:墙壁导航、走廊导航和通路导航,然后利用有限状态自动机的原理把这几种状态集融合到一起,构成了一种移动机器人自主探索未知环境的导航策略;该策略的特点在于不依赖里程计的信息,并且也不需要任何的环境地图,实现起来快速准确,对于环境的变化具有较强的鲁棒性;将该策略应用到移动机器人MORCS-1上进行了测试,实验结果表明了算法具有良好的实时性与可靠性.     

基于事件的视觉传感器及其应用综述

基于事件的相机是一种生物启发的新型视觉传感器,可实时高效地捕捉场景的变化.与基于帧的传统相机不同,事件相机仅报告触发的像素级亮度变化(称为事件),并以微秒级分辨率输出异步事件流.该类视觉传感器已经逐渐成为图像处理、计算机视觉、机器人感知与状态估计、神经形态学等领域的研究热点.首先,本文阐述了事件相机的基本原理、发展历程、优势与挑战;然后,介绍了3种典型事件相机(包括DVS(dynamic vision sensor)、ATIS(asynchronous time based image sensor)和DAVIS(dynamic and active pixel vision sensor))以及多种新型事件相机;接下来,重点回顾了事件相机在特征提取、深度估计、光流估计、强度图像估计与三维重建、目标识别与跟踪、自主定位与位姿估计、视觉里程计与SLAM、多传感器融合等方面的应用研究;最后,归纳了事件相机的研究进展,并探讨了未来的发展趋势.