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。     

机器人在航天装备自动化装配中的应用研究

通过阐述航天装备传统人工装配方式的不足,提出了工业机器人装配方式的重要价值。简要介绍了工业机器人在国内外航空领域的应用现状,分析了航天装备在机械机构、系统组成、产品种类细分程度等方面的特点;针对航天装备装配过程中效率较低的工序,提出了工业机器人应用的研究思路与方向,并列举了需要突破的4项关键技术。最后,对机器人在航天装备自动化装配应用中的发展方向和趋势进行了展望。     

面向大型卫星的可移动混联机器人加工技术

大型卫星结构件加工过程中面临多次吊装和转移风险,针对“卫星不动,工具移动”制造方法定位误差大的问题,提出一种可移动混联机器人加工大尺寸结构件的新方法。基于全向移动平台与机器人视觉引导相结合的粗-精定位策略,采用初步定位和精确定位的“两步定位法”提高移动式混联机器人加工的定位精度。构建可移动混联机器人加工系统,并在大型卫星结构件上开展铣削验证实验。实验结果表明：移动式混联机器人提高了卫星舱体功能面的加工精度,1 600 mm×800 mm范围内4个压紧点的加工平面度达到0.08 mm,共面度达到0.2 mm,距离公差为0.6 mm。混联机器人的高刚度特性为实现卫星舱体高精、高效的原位加工提供了可行性。     

机器人精度补偿技术与应用进展

当今工业机器人加工技术越来越多地被应用于航空、航天、高铁、船舶等高端制造领域中的制孔、铆接、铣削、磨削等工艺。然而,由于工业机器人定位精度低限制了其自身发展及其在高精制造业中的进一步应用;因此,开展机器人精度补偿技术研究对提高机器人定位精度十分重要。对工业机器人精度补偿技术的研究现状进行综述,分析了机器人的定位误差来源,梳理了当前在提高机器人定位精度方面的研究方法和技术以及目前的应用进展,总结了未来工业机器人定位精度提升方法的趋势,可为工业机器人在制造业的应用发展提供指导。     

集群多机器人系统建模研究的发展与展望

凭借高效、鲁棒、应用广泛的特性,集群多机器人系统已经成为当今研究的热点课题之一,具有重要的实用价值。首先简述了自顶而下和自底而上两种多机器人系统研究思路的当前研究概况。然后从拟生物集群系统模型引入,进而引出一致性系统模型,针对低阶、高阶、异质、时延等一致性模型进行分析总结,单独阐述了多智能体强化学习系统模型的研究情况,并分别讨论了三种集群多机器人系统自组织建模方法的研究现状与各自存在的问题,总结与分析了集群多机器人系统运动的发生机理。最后,分析了现有集群多机器人系统模型尚待解决的关键问题和面临的挑战,并对其未来发展进行了展望。     

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。     

多机器人协调操作系统实现飞机大型部件对接的轨迹规划

研究多机器人协调操作系统在飞机大型部件对接中的应用,提出了基于多个三坐标直角机器人协调操作的大型部件找正、对接系统的轨迹规划方法.根据大型部件对接的工艺特点,建立了对接部件和机器人个体之间的坐标转换关系.在机器人系统的运动学模型以及逆运动学算法的基础上,利用多机器人协调操作系统的冗余驱动特性,综合考虑载荷约束、驱动力约束和驱动速度约束等因素,制定大型部件找正、对接过程中的机器人的轨迹规划策略.     

机器人切除毛刺技术的进展

介绍了机器人切除毛刺的加工过程的特点,指出了实际应用中存在的问题,并重点对机器人切除毛刺操作的轨迹规划和控制策略进行了分析比较.最后展望了机器人去毛刺技术的发展方向.     

一种低数据传输的多机器人实时视觉SLAM

针对多机器人视觉SLAM在实际应用中带宽受限的问题,设计了一种低数据传输的多机器人实时视觉SLAM系统.系统中引入了NetVLAD神经网络模型,通过改进NetVLAD降低了多机器人回环检测的计算资源占用,提高了回环检测的实时性.提出了一种针对描述子缺失情况下的特征匹配算法,提高了回环检测与相对量测的鲁棒性,并提出了一种增量式多机器人位姿图共享和优化方法.最后,通过在KITTI数据集进行测试,验证了该SLAM系统能有效减少多机器人通信过程中的数据传输,具有与单机器人SLAM相当的定位精度和实时性.     

基于状态改变的机器人路径规划算法

为了解决目前机器人路径规划中时效性低、避障解算量大的问题,借鉴直流电路中理想电感元件两端电压能够从感抗状态恢复到稳定状态的现象,提出了一种利用机器人状态检测量对机器人状态实时检测,从而实现避障的机器人路径规划算法.首先对绕行单个固定障碍物的机器人进行深入分析,然后采用状态叠加的方法,生成任意位置多障碍物同时存在的避障路径.同时对斥力系数进行改进,以确保机器人能够有效到达目标点.为了验证算法在多障碍物环境下的路径规划能力,进行了数值仿真模拟实验.仿真结果表明,使用该算法规划机器人路径时,能够在避免局部极小值点和目标不可达问题的前提下,在较短时间内规划出机器人由起始点到目标点的路径.     

基于改进人工势场法的服务机器人路径规划

人工势场法是服务机器人路径规划算法中一种简单有效的方法.针对传统人工势场法存在的目标不可达问题,通过在原来的斥力函数中加入一个调节因子的方法解决,同时采用遍历搜索法解决局部极小值问题,并引入安全距离以及改进调节因子以提高机器人路径规划过程中的安全性能.最后,利用Matlab软件将改进后的人工势场法应用于服务机器人路径规划并进行了仿真实验.仿真结果表明,基于改进人工势场法的服务机器人路径规划有效地解决了机器人不能到达目标点的问题.     

航空发动机叶片机器人精密砂带磨削研究现状及发展趋势

航空发动机叶片的型面精度及表面完整性对其疲劳寿命和气流动力性等影响巨大。机器人砂带磨削由于其灵活性好、易于调度、通用性强等特点成为提高叶片表面完整性的有效加工方法之一，但是工业机器人一般仅适用于粗加工，而对于半精加工以及精加工，提高机器人的定位精度是决定加工质量的关键问题。因此，对航空发动机叶片机器人砂带磨削研究现状进行归纳总结，为实现叶片精密磨削提供参考。首先，对叶片机器人砂带磨削系统的组成和结构形式进行了论述，从磨削接触廓形、材料去除规律和表面完整性等方面对砂带磨削机理进行了分析；其次，分别从基于CAD模型、数学模型和人工知识学习三方面总结了叶片机器人砂带磨削轨迹规划方法；然后，对叶片机器人砂带磨削运动控制技术研究进行了介绍，并分析了叶片机器人砂带磨削系统及集成技术；最后，对航空发动机叶片机器人砂带磨削研究现状进行了总结，在此基础上对其发展趋势进行了分析。     

基于单目视觉的机器人避障方法研究

避障问题一直是机器人领域研究的热点和重点。设计一种基于单目视觉的避障系统,能够同时检测机器人正前方和两侧的障碍物,且对低纹理障碍物同样具有效果。该系统采用特征尺度检测器完成机器人视野正前方障碍物的检测,对于视野两侧的障碍物运用光流平衡策略进行规避,而对于低纹理的障碍物则利用图像熵的方法进行检测。整个系统在地面移动机器人上进行了测试,实验结果表明,该方法能在复杂的环境下可靠地完成机器人的避障任务。     

基于激光扫描的移动机器人实时轨迹测量系统

 设计了一种移动机器人实时轨迹测量系统，主要包括激光扫描仪、数据采集计算机、无线通讯网络和数据处理显示软件4个部分。测量系统采用两台激光扫描仪从不同高度测量机器人身上安装的标志杆的位置，将测量数据经过位置识别和坐标系对准后，传输到一台计算机上进行融合，采用卡尔曼滤波器消除测量随机误差，绘制出机器人的运动轨迹。实验结果表明，测量系统可以在较大的测量范围内实现厘米级测量精度和目标分辨率的轨迹测量，为移动机器人的设计开发和导航控制等研究领域提供了良好的实验测试平台。     

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。     

障碍地形下的机器人轮足复合越障步态规划方法

为提高轮足复合机器人在障碍地形下的稳定性与通行效率，提出了一种轮足复合越障步态规划方法。首先基于轮足复合运动模式提出了一种机器人位姿调整算法，并给出了相应的足端轨迹方程与重心轨迹方程。其次基于轮足复合运动的运动学方程，给出了位姿调整阶段的轮速规划算法，使得每条腿足端轮子的滚动速度与足端的轨迹相匹配，以确保轮子在地面滚动时不发生滑动。虚拟样机仿真结果表明，应用该步态规划算法，机器人能够自主平稳地穿越障碍地形，从而验证了方法的有效性。     

机器人镗孔加工系统稳定性分析

为了解决大型飞机装配现场主起落架交点孔的镗孔精加工问题,提出了采用六自由度工业机器人及专用末端执行器组合的创新解决方案。压脚是抑制机器人镗孔加工系统颤振的核心环节。通过对施加压脚前后的机器人镗孔加工系统进行动力学建模,对系统的稳定性进行分析,得出压脚装置对加工系统稳定性叶瓣图的影响。最后通过实际镗孔加工实验验证了机器人镗孔系统在不同压脚压力下的加工稳定性,表明合理的压脚压力可提高稳定切深,拓展加工稳定区域,有效避免加工颤振。     

移动工业机器人在飞机装配生产线中的应用研究

在总结移动工业机器人在飞机装配生产线等航空制造场景典型应用的基础上,重点分析了移动工业机器人多传感器融合的同步定位和建图、移动机器人导航控制、机械臂精度控制和数字化测量等关键技术,并对未来航空领域移动机器人的人机协作、多传感器数据融合、智能规划与决策、数字孪生体系等发展趋势进行了阐述。     

Kinematics-based four-state trajectory tracking control of a spherical mobile robot driven by a 2-DOF pendulum

Spherical mobile robot has compact structure, remarkable stability, and flexible motion,which make it have many advantages over traditional mobile robots when applied in those unmanned environments, such as outer planets. However, spherical mobile robot is a special highly under-actuated nonholonomic system, which cannot be transformed to the classic chained form. At present, there has not been a kinematics-based trajectory tracking controller which could track both the position states and the attitude states of a spherical mobile robot. In this paper, the four-state(two position states and two attitude states) trajectory tracking control of a type of spherical mobile robot driven by a 2-DOF pendulum was studied. A controller based on the shunting model of neurodynamics and the kinematic model was deduced, and its stability was demonstrated with Lyapunov's direct method. The control priorities of the four states were allocated according to the magnification of each state tracking error in order to firstly ensure the correct tracking of the position states. The outputs(motor speeds) of the controller were regulated according to the maximum speeds and the maximum accelerations of the actuation motors in order to solve the speed jump problem caused by initial state errors, and continuous and bounded outputs were obtained. The effectiveness including the anti-interference ability of the proposed trajectory tracking controller was verified through MATLAB simulations.