感知范围受限的群机器人自主围捕算法

针对在有障碍物场地中感知范围受限的群机器人协同围捕问题,本文首先给出了机器人个体、障碍物、目标的模型,并用数学形式对围捕任务进行描述,在此基础上提出了机器人个体基于简化虚拟速度和基于航向避障的自主围捕控制律.基于简化虚拟速度模型的控制律使得机器人能自主地围捕目标同时保持与同伴的距离避免互撞;基于航向的避障方法提升了个体的避障效率,避免斥力避障方法导致的死锁问题.其次本文证明了在该控制律下系统的稳定性.仿真结果表明,该算法在有效围捕目标的同时能够高效地避开障碍物,具有对复杂环境的适应性.最后本文分析了与其他方法相比该算法的优点.     

动态环境下可扩展移动机器人群体的围捕控制

针对协作追逃问题的环境受限以及围捕者与目标的速度比率受限问题,提出了一种规模可扩展的机器 人群体围捕移动目标的切换式策略,该策略可有效完成动态环境中目标机器人速度无约束的围捕任务,即围捕机器 人通过数目优势进行协作围捕来克服其速度上的劣势以完成对目标机器人的围捕．围捕过程中,考虑了面向目标机 器人的虚拟势点子行为以及与邻居个体的位姿匹配行为（编队子行为）,在距离目标较远时位姿匹配子行为权值大 于虚拟势点子行为权值,而距离目标较近时则以虚拟势点子行为为主．仿真实验证明了所提解决方案的可行性和有 效性．     

未知动态环境下非完整移动群机器人围捕

针对未知动态障碍物环境下非完整移动群机器人围捕,提出了一种基于简化虚拟受力模型的自组织方法.首先给出了个体机器人的运动方程,然后给出了未知动态环境下目标和动态障碍物的运动模型.通过对复杂环境下围捕行为的分解,抽象出简化虚拟受力模型,基于此受力模型,设计了个体运动控制方法,接着证明了系统的稳定性并给出了参数设置范围.不同情况下的仿真结果表明,本文给出的围捕方法可以使群机器人在未知动态障碍物环境下保持较好的围捕队形,并具有良好的避障性能和灵活性.最后分析了本文与基于松散偏好规则的围捕方法相比的优势.     

复杂环境下群机器人自组织协同多目标围捕

针对动态多目标围捕,提出了一种复杂环境下协同自组织多目标围捕方法.首先设计了多目标在复杂环境下的运动模型,然后通过对生物群体围捕行为的研究,构建了多目标简化虚拟受力模型.基于此受力模型和提出的动态多目标自组织任务分配算法,提出了群机器人协同自组织动态多目标围捕算法,这两个算法只需多目标和个体两最近邻位置信息以及个体面向多目标中心方向的两最近邻任务信息,计算简单高效,易于实现.接着获得了系统稳定时参数的设置范围.由仿真可知,所提的方法具有较好的灵活性、可扩展性和鲁棒性.最后给出了所提方法相较于其它方法的优势.     

平行导引律优化的多机器人免疫围捕算法

为了提高多机器人协作围捕效率,提出了基于平行导引律的多机器人免疫网络协作围捕算法。首先,将围捕者的运动策略作为抗体,逃逸者和目标区域的位置信息作为抗原,通过抗体和抗原的刺激和抑制来构建协作围捕免疫网络;然后,基于平行导引律定义了平行导引律调节因子;最后,通过抗体浓度自适应选择来完成围捕任务。数值测试表明,与其他算法相比,免疫围捕算法不仅保证了围捕成功率,而且所需步数平均减少21%,转角平均减少13%;而仿真平台的测试对比结果表明,围捕算法所需时间平均减少7%,转角平均减少24%,从而验证了基于平行导引律的多机器人免疫围捕算法的有效性。     

基于改进粒子群算法的机械臂能耗轨迹优化

针对工业机器人能耗轨迹优化问题,提出了一种基于金字塔层拓扑结构的粒子群算法。该算法引入了金字塔层式的拓扑结构,将粒子进行排序、分层,从而改进算法的竞争策略,增加了种群多样性;引入了新的合作策略以更新粒子的速度和位置;引入胜利百分比来自适应地调整粒子群算法的权重系数,提高了粒子的搜索效率。为了验证该算法的有效性,在测试函数集上进行了测试,并与其他八种变体粒子群算法进行比较,其结果表明所提出的算法性能具有显著优势。最后将该算法应用到工业机器人轨迹规划中,仿真实验表明该算法能有效求解机器人的能耗最优轨迹,机器人的能耗明显减低,且满足工业机器人的运动学及动力学约束。     

多无人艇协同围捕算法设计与仿真

为了实现对水面目标进行围捕的功能，提出了一种基于多无人艇的协同围捕算法。算法根据围捕无人艇的数量分配不同的目标相位，把整个围捕过程划分为编队前行、实施包围和靠近合拢三个阶段进行全局路径规划。算法设计简单实用，支持任意数量的围捕无人艇，路径节点数可调整，速度计算简单，具有防碰撞的特点。仿真实验验证了该算法的有效性。     

双轮移动机器人安全目标追踪与自动避障算法

设计了双轮移动机器人安全目标追踪算法和双回路的追踪与避障控制方案.内层控制回路是目标追踪的控制律,用来指导机器人追踪到指定目标并保持一定的安全距离,而且兼顾了机器人在运行速度上的限制和追踪的时间效率,其控制的渐近稳定性用Lyapunov函数法进行了证明.当遇到障碍物时,外层控制回路根据超声传感器的信息和阻抗控制的概念产生阻抗虚拟力,将期望目标调整到虚拟位置,使机器人能够自动转向以避开障碍物.仿真研究和实验结果证明了追踪算法的有效性和避障方法的可行性.     

基于改进鲸鱼优化算法的多无人机围捕

无人机围捕是一项具有挑战性和现实意义的任务,为使无人机可以成功有效地围捕移动目标,提出一种基于动态预测围捕点和改进鲸鱼优化算法的多无人机围捕算法。在环境未知,目标运动轨迹未知的情况下,首先利用多项式拟合预测目标运动轨迹,通过动态预测步数得到预测点,在其周围设置围捕点,然后使用双向协商法为无人机合理分配各个目标点。针对鲸鱼优化算法容易陷入局部最优的缺点,提出基于自适应权重和改变螺旋线位置更新的方法,从而提升算法的开发能力和搜索能力。最终在不同实验环境下进行多次实验仿真,实验结果表明了所提出算法的有效性。     

基于Cross-EKF定位的多机器人协作围捕策略研究

针对目前多机器人协作围捕过程中收敛速度慢、稳定性差、定位精度低的问题,提出一种新的围捕策略.设计出Cross-EKF定位算法,对目标位置的后验估计协方差进行交叉计算,以取得最小协方差区域.以区域边缘点到均值中心最大距离为半径,构建收敛圆,将对动态点的收敛扩展为对动态面的收敛.实验结果表明,系统能快速平稳地收敛该圆,从而实现对目标的精确围捕,该方法具有较高的实用价值.     

微创手术机器人力反馈主手重力补偿研究

针对医生操作微创手术机器人力反馈主手进行主从微创手术时力反馈主手各杆件重力阻碍操作性能的问题,基于虚位移原理对力反馈主手各关节的重力矩进行推导,并采用Adams仿真软件对其进行验证．该方法适用于开链和闭链结构的机器人臂,与传统的牛顿－欧拉法和拉格朗日法相比,它不需考虑速度、加速度,且简单有效．然后采用电机驱动的方式对力反馈主手的各连杆重力进行补偿,实现了重力的完全补偿．实验结果表明,基于虚位移原理的主动重力补偿能够达到较好的补偿效果,将未补偿前的重力矩作用减小了60%以上,提高了力反馈主手的操作性能．     

复杂环境中群机器人网格分布与移动

如何控制不受数量限制的群机器人形成队形并在复杂环境中移动,是一个极具挑战性的问题。基于虚拟力原理分析了群机器人网格队形分布和移动控制方法,制定了详细的系统性能评价指标（稳定时间、碰撞次数、连接数、簇数等参数）,研究了网格队形在复杂环境中的移动以及不同虚拟力对移动的影响。通过在复杂障碍物环境中的仿真,显示出该方法可以鲁棒、有效地完成网格分布和移动任务。指出了今后的研究方向。     

一种基于物理意义的快速力反馈形变模型及实时力觉响应算法

虚拟物体在受力作用时的形变建模是虚拟环境中力/触觉人机交互的关键.文中提出了一种新的基于物理意义的形变建模方法,不仅计算速度快,满足力反馈的实时性要求,而且能够同时保证接触力和形变的计算具有较高的精度,适用于具有较大变形量的柔性物体的力反馈计算,满足精细作业对虚拟现实系统的要求.     

三维虚拟机器人运动仿真系统设计

通过对三维虚拟机器人运动仿真系统的发展进行介绍和分析, 描述了基于零件拼装的三维虚拟机器人运动仿真的有效方法。针对三维虚拟机器人零件结构特点和拼装功能, 对虚拟机器人零件的图形建模方法、虚拟机器人运动及传感器功能仿真进行了分析设计, 重点分析了运动仿真过程的设计方法。实验结果表明, 系统能够很好地遵循物理特性实现虚拟机器人的运动仿真, 且性能较优。     

Speed-accuracy characteristics of human-machine cooperative manipulation using virtual fixtures with variable admittance

This work explores the effect of virtual fixture admittance on the performance, defined by error and time, of task execution with a human-machine cooperative system. A desired path is obtained using computer vision, and virtual fixtures for assistance in planar path following were implemented on an admittance-controlled robot. The admittance controller uses a velocity gain, so that the speed of the robot is proportional to the force applied by the operator. The level of virtual fixture guidance is determined by the admittance ratio, which is the ratio of the admittance gain of the force components orthogonal to the path to the gain of the force components parallel to the path. In Experiment 1, we found a linear relationship between admittance ratio and performance. In Experiment 2, we examined the effect of admittance ratio on the performance of three tasks: path following, off-path targeting, and obstacle avoidance. An algorithm was developed to select an appropriate admittance ratio based on the nature of the task. Automatic admittance ratio tuning is recommended for next-generation virtual fixtures. Actual or potential applications of this research include surgery, assembly, and manipulation at the macro and micro scales.     

Surface-Tension-Driven Biologically Inspired Water Strider Robots: Theory and Experiments

Recent biological studies on water strider insects revealed how they maintain stability and maneuver on the surface of water. While macroscale bodies use buoyancy, these very small insects use surface tension force to balance their weight on water. This paper proposes a biologically inspired miniature robot that utilizes the unique scaling advantage of these insects. The paper focuses on understanding the physics of the interaction between the insect and the surface of water and on designing a robot that mimics their key features. Hydrophobic Teflon coated wire legs optimized to take the most advantage of the surface tension force are used to support the weight of the 1-g robot. It is shown that twelve of these legs can support up to 9.3 g of payload. A T-shape actuation mechanism with three piezoelectric unimorph actuators is designed and studied to enable controlled locomotion. Static and dynamic properties of the robot are analyzed and compared with the experimental results. The tethered robot can successfully make both linear and rotational motions. Maximum forward speed is measured to be 3 cm/s, and the rotational speed is 0.5 rad/s. This robot proposes a new way of locomotion on water surface for future robots and devices.     

空间机器人视觉伺服半物理仿真的原理与实现

针对在地面很难对空间机器人目标捕获过程进行微重力环境下的真实实验问题,建立了半物理仿真系统,以对图像处理、路径规划以及控制等关键算法进行验证,该系统的关键在于将"虚拟环境"与"真实环境"结合起来,利用真实视觉对虚拟环境进行3D重构,以计算目标的相对位置和姿态,实现对视觉伺服控制的闭环仿真.从理论上推导了半物理仿真的原理,并提出了等效投影模型的标定方法,仿真结果表明了该方法的有效性.     

Perception of safe robot speed in virtual and real industrial environments

The purpose of this project was to study the influences of dynamic virtual objects in an Internet‐based virtual industrial environment. The main objectives of this study were to investigate perception of safe robot speed and perception of acceptability. Virtual industrial environments were designed and developed to conduct the experiment. The hypotheses specifying the relationships between perceptions of the robot size, type, different robot starting speed conditions, and gender were tested through data collected from 32 participants. The results indicated that the perception of safe speed was significantly different depending on robot sizes and the initial robot speed conditions. This was consistent with results shown in previous literature for tests in a real industrial environment. © 2006 Wiley Periodicals, Inc. Hum Factors Man 16: 369–383, 2006.     

遥操作机器人的新型力反馈算法*

在采用液压挖掘机改造的遥操作机器人双向伺服控制系统中,针对大臂和前臂两个自由度构建力反馈控制算法。以准确地获取从端机器人与环境的作用力,使反馈力能够更好地反映从端工作状况为目的,采用构建干扰力补偿项的方法消除干扰力对反馈力的影响;以机器人转角为输入,以空载时检测到的液压缸作用力为输出,通过径向基函数构建干扰力补偿项,此补偿项可对多种因机器人的机械本体动力学特性产生的干扰力之合力进行补偿。实验证明,在以液压机构为从手的双向力反馈系统中,通过构建干扰力补偿项的方法提高力反馈效果的方法是可行的,采用的带有干扰力     

机器人多维力传感器

多维力觉感知系统在柔性精密操控、零力示教、轮廓跟踪、自动柔性装配、机器人多手协作、机器人临场感和遥操作、机器人虚拟和远程手术、康复训练等场合有巨大的需求。力敏元件的性能是决定机器人多维力传感器的各项性能指标的关键因素之一。早在20世纪70年代初,力觉信息的获取和应用就已开始被国际上关注,并获得了初步的探讨。自20世纪80年代末起,我国学者也开始关注和研究力觉感知技术。对机器人多维力传感器力敏元件的设计和研究进展进行了综述,对高精度力信息获取面临的挑战展开了分析,并对机器人多维力传感器的发展趋势和解决思路提出了一些可行性的思路。