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  • 1  基于虚拟现实的机器人遥操作关键技术研究
    倪得晶 宋爱国 李会军
    2017, 38(10):2351-2363.
    [摘要](15817) [HTML](0) [PDF 2.17 M](16295)
    摘要:
    机器人遥操作是实现空间、医疗及深海等领域作业的重要手段,基于虚拟现实的机器人遥操作是克服时延的有效方法,具有透明性强、稳定性高的优点,成为当前机器人遥操作的主要方式。首先分析了基于虚拟现实的机器人遥操作系统的关键组成部分,并对其关键模块的具体作用进行了介绍;其次,归纳分析了各类虚拟现实环境建模方法,主要从几何建模和动力学建模方面展开,阐述了每种方法的应用领域、主要特点;此外,进一步分析了遥操作虚拟夹具设计的构建方法及适用领域。最后对当前存在的难点进行总结,指出今后研究的思路。
    2  人机智能协同在医疗康复机器人领域的应用
    郑悦 景晓蓓 李光林
    2017, 38(10):2373-2380.
    [摘要](7777) [HTML](0) [PDF 1.66 M](8922)
    摘要:
    生物智能(人类智能)和人工智能(机器智能)各有所长,具有很强的互补性。借助各种人—机接口技术和方法,将生物智能和人工智能结合起来,使它们优势互补、协同工作,从而产生更强大的智能形态,并将孕育出重大的理论创新和技术方法突破。首先介绍了人机智能协同的主要研究方向、关键科学问题和主要研究内容,之后对人机智能协同在服务、医疗和康复机器人领域的应用及推动作用做了进一步介绍,最后分析了应用存在的可能问题和挑战并做出总结。
    3  面向自然人机交互的力触觉再现方法综述
    陆熊 陈晓丽 孙浩浩 赵丽萍
    2017, 38(10):2391-2399.
    [摘要](7292) [HTML](0) [PDF 2.74 M](8154)
    摘要:
    力触觉再现技术借助力触觉人机接口设备,提供了操作者与虚拟环境之间的力触觉交互,使得操作者能够主动地触摸、感知和操纵虚拟物体,从而有效增强了虚拟现实等系统的真实感和沉浸感,进一步拓展了虚拟现实等技术的应用领域。传统的穿戴式、力反馈操纵杆式力触觉再现设备在便携性、操作空间等方面存在局限性,随着计算机技术与消费电子的快速发展,面向自然交互的力触觉再现方法受到广泛的关注。评述了传统的穿戴式、力反馈操纵杆式力触觉再现设备后,重点阐述了非固定式和非接触式的两类面向自然交互的力触觉再现方法。在对比分析不同的力触觉再现方法之间的差异后,探讨了面向自然交互的力触觉再现方法的未来发展方向。
    4  基于焦虑情绪与混杂控制的机器人辅助临床康复实验
    徐国政 宋爱国 高翔 陈盛 徐宝国
    2017, 38(10):2364-2372.
    [摘要](7270) [HTML](0) [PDF 4.58 M](8767)
    摘要:
    现有基于患者主动参与的机器人辅助康复训练方法,大多以感知患者“运动”参与为主,而忽略了“心理”层次主动参与,且人机交互控制方法未能同时将机器人连续变量运动控制或医师离散事件决策控制这种混杂特性融于统一框架内,具有一定的局限。针对此问题,提出一种基于焦虑情绪识别与混杂控制的机器人辅助临床康复控制方法。该方法首先分析机器人辅助康复过程中不同强度焦虑情绪生理响应特征的显著性及差异性;其次,运用基于径向基核的支持向量机设计焦虑情绪分类器;再次,基于混杂控制理论设计与患者焦虑情绪强度相一致的人机交互控制器;最后,选取3例脑卒中患者,运用Barrett公司WAMTM机器人构建临床康复实验平台,验证所提方法有效性。
    5  基于粒子群寻优的光谱仪波长误差修正方法
    王智宏 陈琛 千承辉 刘杰
    2017, 38(10):2430-2436.
    [摘要](7174) [HTML](0) [PDF 1.52 M](6499)
    摘要:
    为了提高便携式光栅扫描近红外光谱仪扫描波长的准确性,利用平面衍射光栅的色散公式,结合扫描机构中光栅、摆杆与丝杠之间的位置与传动关系,建立了光谱仪波长修正数学模型,提出了基于粒子群优化算法确定波长修正模型参数、基于波长修正模型的杆长比全谱对比寻优确定杆长和修正参数调节量、对光谱仪施以硬件结构调节软件补偿的波长修正方法,并利用标准光源的特征波长,对自制便携式近红外光谱仪进行了波长修正实验。实验结果表明,经波长修正后光谱仪的波长准确性优于±1 nm,满足光谱仪波长准确性的要求,验证了光谱仪波长误差分析的正确性与修正方法的有效性。
    6  基于随机森林回归的手臂末端力的软测量方法
    熊鹏文 林虹 宋爱国 胡凌燕 陈大鹏
    2017, 38(10):2400-2406.
    [摘要](6963) [HTML](0) [PDF 3.27 M](6231)
    摘要:
    针对手臂康复训练后仍缺乏准确力觉的康复病人提出了一种手臂末端力的软测量方法。采用肌电信号(EMG)传感器与手臂姿态传感器获取的数据综合描述手臂的综合状态信息,并作为随机森林回归的输入,将手臂末端力作为随机森林回归的输出。依据康复训练的基本动作单元,针对性的设计了“推拉”和“提放”两组试验,在离线状态下,利用力传感器测量得到的实际末端力与手臂的综合状态信息作为样本集,并通过大量样本数据训练随机森林回归算子得到稳定可靠的回归算子,最后通过在线预测手臂末端力与真实末端力输出的比较,验证了该方法的有效性。
    7  立体视觉和三维激光系统的联合标定方法
    董方新 蔡军 解杨敏
    2017, 38(10):2589-2596.
    [摘要](6289) [HTML](0) [PDF 2.27 M](7624)
    摘要:
    双目立体视觉和三维激光扫描是移动机器人环境探测与建模的常见传感测量方法。为实现两个系统的数据融合应用,必须为二者的测量坐标系建立数学关系,即对其进行传感器之间的位姿联合标定。为此提出了一种基于三维特征点距离匹配的联合标定新方法,设计了一种镂空棋盘格作为标定板。使用双目立体相机提取棋盘格角点三维坐标信息,使用激光测距雷达扫描获取镂空区域中心点三维坐标,最终通过最小化两组特征点的理论与实际测量距离的平方差获取两传感器坐标系之间的旋转矩阵和平移向量。进行的联合标定测量实验结果表明了该方法的准确性和可靠性。
    8  基于激光干涉仪的旋转轴误差快速检定方法
    皮世威 刘强 孙鹏鹏
    2017, 38(10):2484-2491.
    [摘要](6234) [HTML](0) [PDF 3.89 M](8263)
    摘要:
    为了提升五轴数控机床各旋转轴精度,解决旋转轴几何误差难以测量的问题,提出了一种基于激光干涉仪的旋转轴几何精度快速测量方法。该方法针对AC双转台和BC摆头转台的结构特性,采用旋转轴与直线轴联动的测量技术,可以避免传统测量方法对旋转轴中心的依赖性,推导了测量中直线轴转角误差与直线度对旋转轴几何误差约束关系,在保证精度的同时减少了测量过程中的设备安装调试时间,实现了五轴机床旋转轴转角误差、重复转角误差以及反向间隙的快速测量和补偿。对实际五轴机床AC双转台几何精度进行检定,提高了旋转轴的几何精度,实验证明该测量方法具有很强的工程应用价值。
    9  基于手眼系统的线结构光焊缝跟踪系统设计
    陈天元 宋光明 王富林 何杏兴 宋爱国
    2017, 38(10):2407-2414.
    [摘要](6120) [HTML](0) [PDF 2.06 M](6684)
    摘要:
    为了实现一般手眼系统与线结构光焊缝跟踪系统主要部件的复用,在一般手眼系统的基础上,加装激光器、滤光片、保护装置等设备,将其用作焊缝跟踪系统中的线激光结构光焊缝跟踪传感器。通过实验对原手眼系统的标定结果进行实验修正,使其可以替代线结构光焊缝跟踪传感器的标定。详细分析了安装激光器、滤光片、保护装置等对原手眼标定结果造成的影响,使用数据逼近的方法提高线激光结构光焊缝跟踪传感器的手眼标定精度;实验时先对手眼系统进行标定,得到相机坐标系到工具坐标系的原外参矩阵;再对使用原外参矩阵得到的焊点数据,与焊点的实际坐标的误差进行分析,修正手眼系统标定结果。通过实验验证了本方法在手眼系统标定结果基础上,进行加装机构后的线结构光焊缝跟踪传感器的手眼标定的平均精度可达0.53 mm,能够满足机器人焊接的需求。
    10  一种同/异步四肢联动康复机器人的研究
    姜礼杰 张方双 任刚跃 王勇
    2017, 38(10):2381-2390.
    [摘要](5916) [HTML](0) [PDF 4.66 M](8502)
    摘要:
    为提高偏瘫患者健、患侧肢体协调运动能力,研制了一种新型坐式单驱动四肢联动康复机器人,它能够在主被动模式下为偏瘫患者的肢体提供同异步协同训练。基于平面七连杆变胞机构设计了一种可实现四肢协调运动的训练机构,通过传动系统调节两侧训练机构曲柄的相位差,实现左右两侧肢体同步或异步联合运动;在矢状面内建立人机模型及训练机构进行运动学分析,从理论上证明该机构能够实现四肢联动的可行性;基于智能移动终端和微控制器开发了上下位机控制系统,并在样机上进行了试验,结果表明试验者在机器人作用下能够实现:肩关节-16.9°~15.1°、膝关节121.5°~172.5°的上下肢协同运动;0~6 r/min速度范围的同/异步被动训练和61.82~227 N足底压力范围的异步主动训练;同/异步训练模式之间可自动切换。
    11  金属构件残余应力测量技术进展
    王楠 罗岚 刘勇 彭如意 吴进
    2017, 38(10):2508-2517.
    [摘要](5588) [HTML](0) [PDF 1.15 M](7653)
    摘要:
    残余应力是消除外力或不均匀的温度场等作用后仍留在物体内的自相平衡的内应力,对构件的力学性能有显著影响,会引起零件发生翘曲或扭曲变形,甚至开裂,定量测量残余应力数值对改变构件疲劳寿命,预防构件发生脆性破坏具有重要意义。国内外对残余应力测量进行了深入的研究,提出了多种测试方法。详细介绍了有损及无损残余应力测量技术的测量原理及国内外目前研究现状,分析总结了影响测试精度的主要因素及改进方法;调研了目前市场上较先进的仪器设备及其供应厂家;针对盲孔法孔周围塑形变形及钻孔偏心、压痕法塑性区域半径、X射线衍射法试样内部显微组织结构、中子法零点漂移、超声波法测量尺寸带来的误差的重要改进技术;并对残余应力测量技术发展方向进行了展望。
    12  移动相机下基于三维背景估计的运动目标检测
    郭会文 吴新宇 苏士娟 傅睿卿
    2017, 38(10):2573-2580.
    [摘要](5547) [HTML](0) [PDF 2.85 M](5910)
    摘要:
    室内环境中的运动目标检测是计算机视觉领域的研究热点,而移动相机造成的动态背景是运动目标检测的难点。本文提出一种基于同步定位与地图创建(ORBSLAM)三维背景估计的运动目标检测算法,首先使用移动相机遍历整个室内环境,采用ORBSLAM技术建立当前全局环境的三维背景特征点云模型;然后基于局部视频建立局部三维特征点云,根据定位信息将当前局部三维特征点云与环境三维背景特征点云进行嵌入,基于环境背景信息,采用三维均值漂移(3DMS)算法,对局部三维特征点云进行前景特征点提取;运用深度卷积神经网络,对提取的前景特征点所在候选区域进行运动目标确认。通过多个室内场景的实际实验进行验证,结果表明本文方法具有较高的运动目标检测准确率和召回率,提出的运动目标检测算法充分利用了三维背景信息,采用深度卷积神经网络进行确认,有效地改善了检测的准确性和鲁棒性。
    13  面向手部康复应用的数据手套技术研究
    赵裕沛 费飞 杨德华 陈超
    2017, 38(10):2415-2421.
    [摘要](5362) [HTML](0) [PDF 3.45 M](6157)
    摘要:
    疾病或意外发生后经常会引起患者的手部功能障碍,但目前手部康复评估仍然依赖医生经验等主观判断,市场上现有的部分康复产品结构复杂、价格昂贵,而且无法长期记录病人的康复数据,不便于医生进行诊断和复查。提出了一种面向手部康复的多传感器数据融合手套,采用最小二乘法对加速度和地磁进行校正,利用互补滤波进行传感器数据融合,依据真实手骨模型进行虚拟手部建模,用数据手套获得的手部姿态驱动Unity3D中的手部模型。该系统可以准确地记录手的姿态信息,并在虚拟环境中进行实时还原,能高效地帮助医生进行康复评估和协助患者进行康复训练。
    14  基于织物拉伸传感器的手势映射系统
    张阳阳 黄英 郝超 郭小辉 刘平
    2017, 38(10):2422-2429.
    [摘要](5345) [HTML](0) [PDF 4.16 M](6491)
    摘要:
    针对人机交互中主从手映射系统反馈信息缺乏、映射精确度及可穿戴性差等存在的缺点,提出一种基于织物可拉伸传感器以及具有反馈机制的主从手映射操控系统。以莱卡织物表面旋涂石墨烯/聚苯胺复合导电材料,有机硅导电银胶作为电极,研制一种全柔性织物可拉伸传感器。同时将该拉伸传感器布置于人手及机械手,构成2×5的拉伸传感阵列。结合主从手拉伸传感信息,通过改进DH算法,建立手势识别模型。利用BP神经网络对主从手拉伸传感器信息映射进行离线建模,结合在线优化算法,引入拉伸传感器信息反馈机制,实现主从手交互手势的高效、精准映射,建立具有反馈机制的手势映射系统。通过实验分析传感器的拉伸特性,并对有、无反馈机制的手势映射系统的映射精准度进行对比实验。结果表明,所设计的基于柔性织物拉伸传感器、具有反馈机制的主从手映射系统提升了手势映射的精准度,并兼具良好的穿戴性。
    15  基于激光雷达的托盘位姿识别算法及验证
    赵俊宏 吕恩利 陆华忠 王昱 王飞仁
    2017, 38(10):2469-2476.
    [摘要](5049) [HTML](0) [PDF 1.72 M](6917)
    摘要:
    托盘拾取是自动化仓储的重要环节之一,为提高叉车的托盘拾取能力,提出一种基于2D激光雷达的托盘探测算法,实现托盘位置和姿态的识别。建立了托盘探测模型,确立了算法有效探测范围与激光点数量(分布于托盘支架正面)、托盘支架宽度和激光雷达分辨率的函数关系;通过改进的增量式直线提取算法,获取托盘姿态;根据托盘姿态,建立动态模板,以滑动窗口模式进行匹配,获取托盘位置。结果表明,有效探测范围,随激光点数量减小扩大,随托盘宽度增加而扩大,随分辨率增加而扩大;当激光扫描仪分辨率为0.33°,托盘支架宽度为90 mm时,实际探测范围符合托盘探测模型计算,x轴方向定位误差为±60 mm,y轴方向定位误差为±59 mm,托盘角度探测误差为±6°。本算法实现托盘位姿可靠识别,明确探测范围,为提高智能仓储装备拾取作业能力提供理论基础。
    16  基于阻尼粒子群优化的地磁场测量误差补偿
    李婷 张金生 王仕成 李冬予
    2017, 38(10):2446-2452.
    [摘要](4989) [HTML](0) [PDF 2.43 M](5596)
    摘要:
    针对三轴磁力仪在磁场测量过程中的磁干扰问题,提出了基于阻尼粒子群优化算法的磁测误差补偿方法。建立了磁力仪误差和载体磁干扰的一体化误差补偿模型,分别采用阻尼粒子群算法和Twostep方法对非线性观测模型进行参数估计。以质子磁力仪数据作为真值,借助无磁转台充分连续采样,实验结果显示,阻尼粒子群算法对于磁场测量误差具有良好的抑制作用。补偿后,由阻尼粒子群算法和Twostep方法得到的均方根误差分别由1 025.7降至60.304 4、581 nT。结果表明,阻尼粒子群算法取得了更好的补偿效果,补偿精度提高了至少一个数量级,为磁场测量误差提供了一种非常有效的补偿方法。
    17  可用于混频器表征的非线性矢量网络分析仪
    张亦弛 何昭 郭晓涛 黄见明 张子龙
    2017, 38(10):2477-2483.
    [摘要](4923) [HTML](0) [PDF 3.10 M](6535)
    摘要:
    非线性矢量网络分析仪(NVNA)是一种针对射频微波器件非线性行为表征的测量装置,通过引入一个相位参考信号实现复杂被测对象的相位谱测量,目前主要用于功率放大器(PA)的表征和建模研究。提出了一种基于双相位参考结构的NVNA改进方案,并尝试用于混频器的非线性行为表征研究。该方案采用一个“步进式”的多频正弦信号作为“主”相位参考,以实现高频谱分辨率的多频段测量,同时引入第2个低频谱分辨率的“辅助”相位参考提供各测量频段的相位同步。该方案能够显著提高测量装置的信噪比,具备对多频段、“调制+谐波”复杂被测对象的测量表征能力。实验表明,该方案可以提供小于±0.2°相位谱测量稳定度,能够进行混频器在复杂调制状态下的相位和谐波失真特性分析。
    18  基于d-q变换的时栅位移传感器补偿算法研究
    王伟 石照耀 彭东林 赵勇图
    2017, 38(10):2453-2460.
    [摘要](4839) [HTML](0) [PDF 3.75 M](5002)
    摘要:
    时栅位移传感器是一种新型的栅式位移传感器,它不依赖于空间等分性,通过对时间脉冲进行计数而间接实现位移测量,从而达到高精度测量。介绍了传感器信号变形的原因,将非理想信号分为幅度不均、相位偏移、谐波叠加、波形变形四大类;针对幅度不均的情况,将电机学中的dq变换引入误差分析,推导出其对寄生式时栅位移传感的误差影响;同时在dq变换原理的视角下重新审视了时栅传感器的测量过程。提出了一种基于变换空间下的误差补偿算法,d轴的差分项与q轴误差项变化趋势一致,利用变化规律对测量误差进行实时修正。在安装有寄生式时栅位移传感器的实验台上进行了实验并获取到不同情况下的误差曲线,实验结果表明,该补偿算法可以消除幅度不均带来的二次误差,误差压制量达到90%。这种算法完全利用信号本身的特性,无需复杂的运算,将误差部分进行了补偿达到了比较理想的效果,对于寄生式时栅位移传感器的实际应用具有重要意义。
    19  闭式谐振腔法微波介质陶瓷介电常数测量
    王益 张翠翠 王建忠 何斌 韩玉强
    2017, 38(10):2500-2507.
    [摘要](4823) [HTML](0) [PDF 1.54 M](6753)
    摘要:
    采用一种封闭式的圆柱形微波谐振腔,实现了微波介质陶瓷材料以及其他中低损耗材料介电常数的准确测量,通过模式匹配技术实现了介质加载条件下腔内电磁场问题的精确求解,得到了腔体谐振频率与材料介电性能之间的精确关系,对各类典型介质材料的测量结果以及多家比对数据表明,相比于传统方法,该方法的测量准确度更高,可达到0.1%;测量范围更宽,不仅能准确测量高介电常数的微波介质陶瓷,也适用于低介电常数的交联聚苯乙烯、聚四氟乙烯等材料,此外由于闭式腔不存在辐射损耗,金属表面电流损耗也较小,对低损耗材料的Q值测量更加准确,损耗角测量下限达10-6以下。该方法适用于介电常数εr=1~100及以上,损耗角正切tanσ=1×10-3~1×10-6范围内各种材料介电性能的准确测量。
    20  压电超精密定位台的动态迟滞建模研究
    杨晓京 李庭树 刘浩
    2017, 38(10):2492-2499.
    [摘要](4818) [HTML](0) [PDF 4.66 M](7747)
    摘要:
    为了提高压电超精密定位台的建模精度,采用BacklashLike迟滞非线性模型来描述压电超精密定位台的迟滞特性,采用基于遗传因子的递推最小二乘法来辨识BacklashLike模型的参数,并结合压电超精密定位台的动态特性,建立了压电超精密定位台的二阶动态迟滞模型。通过实验得到,对比BacklashLike模型,动态迟滞模型在频率为30和40 Hz时,最大输出位移误差由1.21和1.39 μm下降到0.32和0.44 μm,且最大相对误差分别仅为3.5%和4.4%,平均位移误差由0.53和0.76 μm下降到0.17和0.21 μm,平均相对误差由1.93%和3.38%下降到1.11%和1.37%。实验结果验证了提出的动态迟滞模型,既能减小了因压电超精密定位台的动态特性而引起的系统误差,又能很好地模拟其迟滞特性与动态特性,并且避免了不同频率下的模型参数反复辨识问题,提高了压电超精密定位台在高频、快速、大行程定位中的精度。该方法简单且适应性强,易于工程实现。

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