水下机器人测试及相关机构介绍

为探讨水下机器人在设计制造完成后开展相应测试、试验的现状,对水下机器人测试、试验方法的主要内容,国内水下机器人主要测试机构现状,国外水下机器人主要测试机构现状三方面进行了论述。水下机器人测试的主要内容包括整机总成测试、螺旋桨推进器测试、机械手性能测试等几块。通过介绍国内外水下机器人测试的主要机构,表明我国目前已有部分机构具备相应的测试能力,也有机构成立了专门的水下机器人测试中心。与国外水下机器人测试机构相比,除个别以外,国内的水下机器人测试系统一般较为大型,部分和船舶共用一套系统,而国外的测试系统更具有针对性,专业性也更高。整体来说,目前国内水下机器人测试系统基本都能满足相应的测试要求,并不断地向国际先进水平靠拢。     

星表移动探测机器人研究现状综述

星表移动探测机器人是多学科、高新技术的结晶,用于非结构化环境中的星球表面探测,能有效减轻人类工作强度、保护人身安全以及代替人类完成恶劣环境下的科研探测工作,有着巨大的经济和社会效益。本文对已发射的探测器进行了统计,系统梳理了成功着陆月球、火星的探测机器人的技术参数、结构与机构组成等,综合对比了各国在星表移动探测机器人研制方面的技术状态。结合国内外的研究现状和成果,重点针对星表移动探测机器人移动系统的研究进行了梳理,将星表移动探测机器人从运动形式上划分为轮式、腿式、履带式及其他类型4种形式,对每类机器人的研究进展、技术参数、结构与机构形式、运动形态等进行了系统回顾和详细分析。结合星表移动探测机器人面临的探测任务及发展方向,对星表移动探测机器人未来发展趋势进行了展望。     

航天员与类人机器人月面联合探测概念初步研究

介绍了人机联合探测中涉及的类人机器人、遥操作、人机共享控制、地面验证等技术发展现状;对月面类人机器人与航天员联合探测的概念进行了初步研究,规划出了月面人机联合探测系统结构、探测模式和探测任务等;并对类人机器人技术、人机协同操作技术、遥操作控制技术和地面仿真验证技术等关键技术进行了总结。     

小型星表探测机器人发展现状与趋势

针对深空探测中（尤其是月球、火星和小行星探测）大型着陆探测器对小型移动机器人作为重要科学载荷的需求,综述了国内外小型星表探测机器人领域的发展现状,着重介绍了面向月球探测、火星探测和小行星探测的代表性小型机器人的任务需求、基本构型和样机测试情况。在系统总结小型星表探测机器人关键技术及发展趋势的基础上,提出了未来中国在该领域发展、完善的建议。分析表明：月球探测的高研究价值区域多位于崎岖地形中,体积小、运动性能强的轮式、足式机器人受到广泛关注,日本、英国、瑞士等国家已提出多种小型机器人概念,并研发原理样机进行测试试验;针对火星等存在稀薄大气层的星体探测,定位于配置组件的旋翼式无人机已成为国内外关注和研制的重点之一,同时面向特殊极端地形探测的小型轮式、翻滚式机器人也进入到原理样机测试阶段,美国在这些领域均保持突出优势;针对小行星等小质量、弱引力天体探测,小型翻滚式机器人成为其着陆探测的主流,美国开展了原理样机设计与试验,日本通过"隼鸟2号"任务已成功实现在轨应用。     

面向月面探测的空间机器人-航天员手势交互方法的研究

针对月面探测机器人-航天员手势交互的问题,以航天员助手机器人(AAR-2)为实验平台,运用卷积神经网络模型,提出了一种静态手势识别方法。采用该方法对设计的8种空间人机交互手势进行了手势识别试验,并将试验结果与单通道的CNN等方法的结果进行对比,证明了该方法能在一定程度上提高静态手势识别率,识别准确率达到93.3%。并自制了一套小型空间人机交互的手势数据集,用以补充该方法在月面探测的实际任务中的不足。     

风力驱动球形机器人动力学

风力驱动球形机器人是一种新型移动机器人,适合于危险或人类难以到达的复杂地形环境的探测,因此在环境探测领域具有独特的优势。首先考虑了碰撞接触点无滑动和有滑动的情况,采用Kane方法建立了风力驱动球形机器人弹跳动力学模型,该模型可以直接分析机器人碰撞后的运动情况。然后给出了机器人滚动和滑动的运动条件,运用牛顿力学方法建立了机器人的滚动和滑动动力学模型。最后将弹跳、滚动和滑动运动模式有机结合,并考虑环境中随机风的作用,实现了风力驱动球形机器人的运动仿真。数值仿真结果揭示了环境变化和机器人结构参数变化对其运动性能的影响。     

月面服务机器人研究进展及发展设想

针对我国后续无人月球探测和载人月球探测中巡视勘察、资源利用、设施建造等任务对多功能巡视作业功能的月面服务机器人的迫切需求,综述了国内外轮腿式、可重构、仿生、翻滚式、弹跳式等新概念月面机器人的研究进展;结合无人月球探测及有人月球探测的任务,分析了月面活动对机器人高效移动、载荷操作、月面组装等需求;在此基础上,提出了月面服务机器人向轮腿式、可重构、多机协同、人机协作等方面发展的设想。可为我国后续无人月球探测和载人月球探测提供参考和借鉴。     

星球表面着陆巡视一体化探测机器人研究进展

针对深空探测领域星球表面着陆巡视一体化的探测任务需求,全面而简要地回顾了国内外星球表面着陆巡视探测任务的发展历程,概述了在着陆过程中减速和缓冲减振方法及移动探测情况,指出了传统着陆巡视系统存在系统复杂、可靠性低、着陆缓冲装置的质量和体积占比高、着陆后姿态无法调整等局限,对比分析了着陆巡视一体化机器人的优势。在此基础上,分别综述了腿式移动机器人、风力驱动球形机器人、小型跳跃机器人和张拉整体机器人等具备着陆巡视一体化功能的机器人的研究进展;对各类机器人的性能特点进行了对比分析并给出了各自的适用范围;最后展望了未来星球表面着陆巡视一体化机器人的发展趋势,探讨了未来有待于进一步深入研究的难题及可能的解决途径。     

面向载人月球探测任务的月面机器人系统初探

未来有人参与的月面活动将更加复杂和多样化。针对载人月球探测任务对月面机器人系统的需求,介绍了空间机器人的发展现状,提出了我国月面活动按机器人先导探测、人机联合探测、远期科研站建设分步开展的设想,论证了月面活动不同发展阶段对机器人系统的任务及能力需求,按有限规模、多功能集成的原则提出了各阶段机器人配置设想,分析了月面机器人系统发展在移动、操作、感知、交互、环境适应性方面需解决的关键问题。     

亚毫米级弹丸光电探测技术

本文在片光遮挡式弹丸探测技术基础上发展了光电阵列探测亚毫米级弹丸技术,论述了光电阵列探测亚毫米弹丸的技术原理,详细介绍了光电阵列探测系统的探测光路和探测电路设计方案,研制了光电阵列探测系统的动态试验验证装置。在超高速碰撞靶上开展了动态验证试验,试验结果表明,采用光电阵列探测技术,大幅提高了弹丸信号的信噪比,能够可靠探测直径为0．6mm 的高速弹丸,通过分析表明该技术能可靠应用于直径为0．1mm高速弹丸的探测。     

一种星球探测六足轮腿机器人的设计与运动规划

针对星球探测,设计了一种具有高度对称性的六足轮腿机器人。为适应星球表面的复杂环境,该机器人具有不仅在机身水平面内中心对称而且关于机身水平面对称的结构,同时能够通过腿部构型的变化实现两种运动方式：轮行模式和足行模式。机器人的膝关节采用双平行四边形的传动机构,克服了现有足式机器人膝关节平行四边形机构传动的奇异问题,增加了膝关节的转动范围,实现了单腿关于机身水平面的对称运动。设计了一种基于指数坐标在SE （3）空间上规划的自适应步态,机器人可以利用该自适应步态在没有视觉传感器和局部地图的条件下,仅依靠足底力传感器和机身的惯性测量单元,实现自主连续稳定的行走。利用该机器人结构的高度对称性,提出了一种倾倒恢复策略以适应星球探测过程中的需求。以Adams和MATLAB为虚拟的仿真环境,对六足轮腿机器人的运动模式切换、自适应步态及倾倒恢复进行了仿真,验证了可行性。     

月面机器人探测路线图及典型方案研究

月面机器人具有环境适应性好、工作时间长和安全性高等特点,是未来无人/载人月面探测中的重要支持系统。在分析整理国内外月面机器人探测历史与规划的基础上,梳理月面机器人探测任务需求。结合中国探月工程总体规划和技术水平,提出月球南极、中低纬度和月球背面月面机器人探测的路线图,并从科学价值、工程可行性等方面对各阶段着陆地点进行初选;详细阐述以水冰探测和生物学实验为主要目标的月球南极Shackleton山跨明暗界线探测方案,以及以人机联合探测、大深度地质钻探为特色的中低纬度海陆边界区探测的任务目标和系统方案,可为探月任务的实施提供参考和启示。     

人机共融机器人的月面驻留服务及应用展望

针对我国载人登月工程目标和任务需求,综述了人机共融机器人技术的研究进展,分析月面驻留活动中人机共融机器人的任务、能力需求和关键技术。在此基础上制定了共融机器人系统在我国首次载人登月中的任务目标和能力需求,提出首次载人登月中"人机共融"作业系统的工作模式。为共融机器人在我国后续无人、载人月球探测以及月面驻留服务的应用提供借鉴和参考。     

单片集成自装配微爬行机器人研究

面向微机器人未来在地外探测上的潜在应用,设计了一种总重24 g、整机尺寸93×71×36.14 mm的自装配微爬行机器人。基于形状记忆聚合物材料的热致形状记忆效应,设计分析了自折叠铰链结构,实现了结构从平面形态到三维形态的自动折叠装配,并在此基础上开展了单片集成自装配为爬行机器人的系统设计与加工测试。基于单片集成一体设计方法,将具有多材质、多器件的微机器人设计为单片平面一体化自装配结构;基于变胞原理,将平面一体化结构进行空间折叠,形成具有三维特征的机体结构和柔顺运动机构,继而通过标准平面成形工艺实现微机器人的加工制造。该微爬行机器人表现出较好的结构和运动性能,整机可在30 s内完成自动折叠装配到三维结构形态,爬行运动速度为20 cm/s,能承受6.2 N的静态结构负载和6G过载,验证了单片集成一体化自装配设计研制分米—厘米尺度下的微机器人的技术实现能力。     

一种环境探测球形移动机器人的运动控制

 球形移动机器人具有结构紧凑、运动灵活等特点,在环境探测等应用领域具有独特优势。介绍了一种新型的、带有双摄像头的环境探测球形移动机器人BHQ-2的结构与运动原理,并对其运动控制问题进行了研究。由于该球形机器人属于非完整约束系统,其不存在位置级的运动学逆解,因此从速度级上讨论了它的运动控制问题。基于旋量理论推导了该球形移动机器人的速度雅可比矩阵,采用广义逆的解法求得了它的速度逆解,并采用可控性李代数证明了BHQ-2球形移动机器人系统是满秩的,因此该机器人系统是完全非完整的并且是可控的。基于运动学速度逆解对BHQ-2球形移动机器人进行了直线和圆形运动轨迹的仿真和实验,仿真和实验结果验证了该球形机器人的可控性及速度逆解的正确性。     

空间机械臂水下试验及其关键技术综述

为配合航天员出舱活动训练以及在中性浮力环境中验证空间机械臂的相关任务和功能,需开展空间机械臂的水下试验工作。对加拿大I臂、Ranger项目、Eurobot欧洲号机器人等国际空间机械臂水下试验情况进行了调研,提炼出水下密封技术、水下接口湿式插拔技术、中性浮力配平技术、水动力特性仿真技术、水压传动与关节设计技术等关键技术,为我国空间机械臂后续开展水下试验工作提供参考和借鉴。     

一款工业机器人上下料系统的研究

本文通过对基于双目视觉的机器人上下料系统的设计,引入视觉测量与处理技术准确获取工件轮廓、位置和位姿数据,实现对工件的自动、准确和快速定位。融合网络通讯技术实现对六自由度机器人的伺服控制,实时导引机器人完成上下料动作。试验结果表明该系统能自适应工件形状,快速准确地完成上下料,能满足自动化要求,具有重要的应用价值。     

未来月球探测总体构想

20世纪70年代以来,美苏等国已经对月球展开多种手段的探测;近年,美国、日本、俄罗斯等多个国家又开始展开月球探测,并提出机器人探测月球、建立月球基地等一系列月球探测目标。基于此背景,根据月球探测一般趋势,提出了由月球前哨站工程、机器人登月工程、短期月球基地以及长期月球基地四步构成的未来月球探测构想,提出了四步走的总体科学目标、工程目标与每一步具体任务构想,阐述了四步之间的内在联系,并在此基础上提出了未来月球探测关键技术。     

空间机器人研究进展及技术挑战

空间机器人是实现空间操控自动化和智能化的使能手段之一,在无人及载人的空间科学探索活动中至关重要。首先,回顾了国际空间站舱内外机器人、中国空间站机器人、在轨自由飞行空间机器人等几类轨道空间机器人工程应用现状,以及已成功在轨应用月面机器人和火星机器人两类星表机器人系统的应用现状。其次,针对空间机器人后续日益复杂的任务需求,探讨了空间机器人在机构构型、关节驱动、末端操作、感知认知、行走移动、动力学与控制等方面面临的技术挑战。然后,论述了空间机器人在多臂、超冗余、柔性化、可重构、仿生等新型机构构型方面的探索,介绍了空间机器人主动、被动柔顺关节方面的研究进展,论述了空间机器人末端执行器在专用化工具及通用化多指灵巧手两个方向的研究进展,总结了星表机器人在新型移动机构构型、高自主导航方面的研究进展,介绍了空间机器人在多传感器集成融合、力与触觉感知方面的研究进展,论述了空间机器人在多臂协调控制、柔顺控制、漂浮基座抓捕动力学控制等方面的研究进展。最后,展望了空间机器人在空间目标抓捕与移除、高价值飞行器在轨服务与维修、空间大型构件在轨组装及星球科学探测等方面的应用前景。     

基于FastSLAM的绳系机器人同时定位与地图构建算法

绳系式移动机器人可用于极端地形的探测,如陡峭斜坡、松软土壤、高耸悬崖、沟壑等。在运动过程中移动机器人的绳索不可避免地与障碍物接触甚至缠绕。由于绳索与障碍物之间的接触点不相互独立以及机器人模型的非线性特性,经典的FastSLAM框架不适用于绳索机器人的同时定位和地图创建（SLAM）问题。提出基于改进FastSLAM框架的绳系机器人SLAM算法。在该框架中,分别利用无迹滤波和粒子滤波解决接触点位置估计和机器人位姿估计问题,并利用非线性观测模型的无迹变换来简化粒子权重更新。仿真结果表明,该算法可有效地估计接触点位置,同时提高机器人位姿估计性能。