聚类引导搜索的移动机器人路径规划方法

本文提出一种聚类引导搜索（cluster guide searching，CGS）的路径规划方法。采用基于最大最小距离的K均值聚类方法对样本进行离线聚类学习，学习结果以相似环境相似决策的知识形式进行存储。路径规划过程中，机器人在线整理环境信息，获得输入空间样本，通过与知识库匹配，检索到最近的类别，然后在该类别内部采用速度优先策略和方向优先策略交替的方式搜索输出空间。若知识不完备导致检索失败，可重启线性规划算法（linear programming，LP）进行在线路径规划，并更新聚类知识库。仿真结果表明该方法是一种有效的路径规划学习方法。

具有自适应能力管道机器人的设计与运动分析

提出并研制一种基于自适应移动机构的管内探查机器人。通过对机器人传动机构的设计,实现了在不增加驱动电动机数量的前提下,机器人具有适应不同管道直径的能力。机器人的传动机构能够在管道直径改变时,自动地改变行走部件的输出形式以克服障碍,完成越障任务。在没有应用链式多节构型的情况下,机器人配备一个驱动电动机就能够完成越障任务,改善了传统螺旋驱动式机器人越障能力不高的问题,同时也提高了对驱动电动机的使用效率。为了分析试验中发现的机器人保持架自转现象,对机器人进行运动分析,并由分析结果对相关部分进行改进。试验结果表明,该机器人能够在内径为190 mm和180 mm的管道中行进,并能够顺利通过两节管道间形成的同心台阶障碍,验证了自适应移动机构的行走能力。

三维蛇形机器人巡视者Ⅱ的开发

蛇形机器人具有比传统移动机器人更强的运动能力,为实现机器人的三维运动而开发的蛇形机器人巡视者II是一个具有强驱动力和高机动性的三维蛇形机器人。它由具有3自由度的模块化单元组成,该单元具有俯仰、偏航和回转3自由度,单元的俯仰和偏航运动是通过由3个伞齿轮组成的差速机构耦合驱动。该单元的圆柱形外壳周围安装有一系列的被动轮来增加机器人运动灵活性。对蛇形机器人模块单元的自由度作了详细分析,并基于机器人的运动机动性设计三维蛇形机器人的单元结构。给出蛇形机器人的控制系统结构,并对耦合变量进行解耦。将蛇形机器人的蜿蜒运动和扭转运动两种基本步伐应用到巡视者II上,试验结果证明了该三维蛇形机器人具有很强的机动性和运动能力。

智能机器人技术在南极科学考察事业中的试验应用

智能机器人技术在极地科学考察事业中有着广阔的应用前景。2007/2008年度第24次南极科学考察中,我国开发的冰雪面移动和低空飞行机器人在南极成功实现了首次应用。扼要介绍国外开发的应用于南极的智能机器人技术,重点介绍我国开发的冰雪面移动和低空飞行机器人及其在南极现场的试验应用情况。此外,作者思考了我国南极考察事业对智能机器人技术的一些潜在需求,以期能对未来的机器人技术开发提供参考。

基于证据理论的虚拟力机器人网络控制

将网络与机器人相连,延伸网络的应用领域,可以实现价格低廉的远程监视与操作,而远程控制成功实现的关键在于信息的正确获得。利用Dempster-Shafer对六个超声波传感器所获取的距离信息进行融合,而后连同速度信息提供给弹簧-阻尼器系统以构建虚拟力;力的信息通过编程映射到游戏杆上,变成操纵方向的约束力。通过采用微软公司的带有力反馈的操纵杆作为力觉提示装置控制移动机器人在结构化环境下顺利运行,验证了虚拟力信息获取方法的有效性。

一种移动机器人在三维动态环境下的路径规划方法

提出一种基于遗传算法的三维动态环境下的路径规划方法,通过对机器人的运动行为进行编码,将各种约束条件融入到遗传算法当中,规划出可实际应用的避障路径,仿真研究表明该方法是简单有效的。

基于模型参数估计的履带式移动机器人航向保持

履带式移动机器人运动时,由于受到系统误差及履带地面接触效应等不确定因素的影响,会导致航向及路径偏差。本文采用模型参数估计的方法达到履带式移动机器人路径保持的目的。首先,考虑履带与地面的滑动效应,建立起机器人运动学模型;然后,对于模型中受环境影响的参数,利用扩展卡尔曼滤波进行在线估计;最后,采用合适的观测值实现闭环控制。通过在履带式极地冰雪面移动机器人的实验研究,验证所提方法的可行性和有效性。

基于双目重建不确定性的动态特征滤除

提出了一种基于双目视觉三维重建不确定性的环境动态特征滤除方法。针对利用立体视觉系统对机器人进行运动估计时,环境中的动态目标和环境静态背景与机器人的空间相对运动具有不一致性,将严重影响系统的精度的问题。根据动态目标与环境背景的空间运动不一致性,分析立体视觉三维重建的不确定性,利用重建的不确定性估计机器人与环境间的相对运动,通过随机一致性方法(RANSAC)滤除图像中的环境动态特征。仿真实验结果表明了本方法的可行性和有效性。

轮腿复合移动机器人自主越障姿态设定及轮腿运动协调算法实现

轮腿复合移动机器人具有很好的地面适应能力和越障能力。本文通过对机器人系统结构的分析和其越障高度的静态分析,计算出机器人能够越障的最大高度,并提出了针对典型地形环境(沟、坎、台)越障问题的机器人构型优化以及轮腿运动协调控制算法,而且通过实验验证了算法的有效性。

轮-履复合可变形机器人的移动机构参数分析

针对非结构环境地形特点,结合轮式、履带式移动机构在复杂地形环境中的运动特点,设计了一种适应于非结构环境的轮-履互换、履带几何形状可变化的复合型移动机器人。该轮-履复合型移动机器人的机构系统由一个控制箱体和两个相同的轮-履复合移动单元模块组成。每个轮-履复合移动单元模块由运动轮和几何形状可变的履带轮构成,在一个驱动力的作用下根据不同的约束环境而表现为轮式和履带式两种运动特征,同时此单元模块具有轮-履互换、履带几何形状可变等特点。运用理论推导、参数优化等方法对轮-履复合移动单元模块的机构参数进行了分析综合,并经仿真分析验证了机构参数选择的合理性,为轮-履复合、履带可变形移动机器人的机构参数化设计提供了理论依据。

可变形机器人协同转向运动研究

可变形机器人AMOEBA-I具有多种构形和多种转向方式.为实现机器人转向性能的优化,提出了可变形机器人的协同转向方法,并建立了相应的数学模型,对不同构形下的协同转向方式进行了理论分析.设定了机器人三个模块在协同转向过程中的运动关系,在此基础上给出了可变形机器人协同转向性能的评价指标.通过理论和实验比较了不同构形下的协同转向方式,实验验证了协同转向方法的有效性.

地面移动机器人越障动力学建模与分析

对采用轮—腿—履带复合型移动机构的地面移动机器人进行了研究,首先分别描述了机器人采用腿—履带、轮—腿—履带两种方式的越障过程,进而对腿—履带复合越障过程进行了动力学建模,分析了电机驱动力矩与机器人速度及障碍物高度等之间的关系,为确定机器人的复杂环境适应能力提供理论依据.

全地形轮式移动机器人运动学建模与分析

提出全地形轮式移动机器人的正逆运动学问题。将机器人看成一个混合串-并联多刚体系统,从每个轮-地接触点到机器人车体分别构成一个串联子系统,抛弃车轮纯滚动假设,在轮-地接触点处建立瞬时坐标系,考虑车轮的平面滑移,从而对每个串联子系统形成一个封闭的速度链。对于每个速度闭链,可直接在驱动轮轮心处写出从机器人各驱动轮到机器人本体之间的运动方程,将每个速度闭链的运动方程合并即可得到机器人的整体运动学模型。以一个具有被动柔顺机构的六轮全地形移动机器人为对象进行推导,该方法既考虑了地形不平的影响,又考虑了车轮的前向、侧向及转向滑移,已知机构参数后就可以直接写出机器人的速度方程,且便于运动学求解。该方法对于轮式移动机器人的运动学建模具有一般性,且具有物理意义明确、推导过程简洁等特点。

基于主动视觉和超声的机器人目标跟踪系统

运动目标跟踪技术是未知环境下移动机器人研究领域的一个重要研究方向。该文提出了一种基于主动视觉和超声信息的移动机器人运动目标跟踪设计方法,利用一台SONY EV-D31彩色摄像机、自主研制的摄像机控制模块、图像采集与处理单元等构建了主动视觉系统。移动机器人采用了基于行为的分布式控制体系结构,利用主动视觉锁定运动目标,通过超声系统感知外部环境信息,能在未知的、动态的、非结构化复杂环境中可靠地跟踪运动目标。实验表明机器人具有较高的鲁棒性,运动目标跟踪系统运行可靠。

室外自主移动机器人AMOR的导航技术

在非结构化环境,移动机器人行驶运动规划和自主导航是非常挑战性的问题。基于实时的动态栅格地图,提出了一个快速的而又实效的轨迹规划算法,实现机器人在室外环境的无碰撞运动导航。AMOR是自主研发的室外运动移动机器人,它在2007年欧洲C-ELROB大赛中赢得了野外自主侦察比赛的冠军。它装备了SICK的激光雷达,用来获取机器人运动前方的障碍物体信息,建立实时动态的环境地图。以A*框架为基础的改造算法,能够在众多的路径中快速地找到最佳的安全行驶路径,实现可靠的自主导航。所有的测试和比赛结果表明所提方案是可行的、有效的。