摘要：为更好地实现对动态非合作目标的捕获,设计开发了一种多臂式柔性捕获器.这种捕获器的原理类似海葵等生物捕猎的方式,不依赖单个柔性臂的精准夹持而是靠多根臂所构成的臂群实现聚拢、挤压等动作,以完成对目标物体的捕获.基于能量守恒和动量守恒原理对非合作目标物体与柔性臂的碰撞问题进行分析,给出了发生碰撞后柔性臂与目标物体各自的运动参数.为进一步分析柔性臂的动态变形过程,采用多个线性关节和扭转关节的组合对单根柔性臂进行描述,并基于牛顿法对各离散关节进行受力分析,建立了柔性臂的动力学模型.将柔性臂整个变形过程离散为多个微小时间段运动的集合,通过动力学分析得到当前时刻的动力学参量,经过一个微小时间内的运动后即可得到下一时刻各质点的位置,迭代进行上述步骤便得到了柔性臂的动态变形过程.而后,通过实验确定单臂动力学模型的最优参数,并将参数优化后的动力学模型在不同加载情况下与单臂样机进行对比,验证了动力学模型的准确性.最后,在单臂动力学模型的基础上建立包括多根柔性臂的捕获器三维模型,进行非合作目标捕获的仿真与样机实验.结果表明:所设计的臂群式柔性捕获器能够很好地完成动态非合作目标捕获任务,所建立的捕获器三维仿真模型可以基本反映动态捕获过程.

摘要：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。

摘要：进入工业4.0时代,大规模互联分布式智能工业设备产生了海量的具有时延敏感和计算负载差异的异构工业任务,终端侧有限的计算能力难以支持任务的实时高效处理.通过工业无线网络将任务卸载到网络边缘侧服务器进行多接入边缘计算成为解决终端侧算力受限问题的一种有效手段.然而,工业无线网络有限的时频资源难以支持大规模分布式工业设备的高并发任务卸载.本文充分考虑异构工业任务高并发计算卸载中有限时频资源约束和建模难的问题,提出一种基于深度强化学习的动态优先级并发接入算法(Deep Reinforcement Learning-based Concurrent Access Algorithm with Dynamic Priority,CADP-DRL).该算法首先分析异构工业任务的时延敏感性和计算负载时变性,为工业设备分配不同的优先级,动态地改变工业设备接入信道进行计算卸载的概率.然后,利用Markov决策过程形式化动态优先级高并发计算卸载问题,并采用深度强化学习方法建立高维状态空间下状态到动作的映射关系.针对动态优先级和并发卸载的多目标决策问题,设计了包含优先级奖励和卸载奖励的复合奖励函数.为保证训练数据的独立同分布,同时提高算法收敛速度,提出了带经验权重的经验回放方法.对比实验结果表明,CADP-DRL能够快速收敛,实时响应,在实现最小卸载冲突的情况下为高优先级工业设备提供最高的成功卸载概率保证,性能优于slotted-Aloha、DQN、DDQN和D3QN算法.

摘要：为了实现水下滑翔蛇形机器人滑翔轨迹的稳定控制,针对机器人的外形和尺寸受限问题,对机械结构进行了设计与分析.基于所设计的机械系统,采用动量定理和动量矩定理,建立滑翔运动的数学模型.对非线性模型进行线性化,并采用最优二次型控制策略(LQR)设计状态反馈控制器.为了增强系统对参数扰动的鲁棒性,加入积分控制,构成LQI控制器.通过仿真对2种控制策略的稳定性、鲁棒性和跟踪误差进行分析,结果表明,2种控制策略均能实现渐近轨迹跟踪和输入扰动抑制; LQI控制器还可以实现水动力参数扰动抑制; LQI控制器的稳态跟踪误差为0. 271 5m,比LQR控制器跟踪误差降低了27. 58%.

摘要：为提高深渊鱼类观测效率,针对传统预编程式观测方法无法感知目标的不足,提出了一种基于鱼类识别的自主观测方法。首先,通过改进的背景差分法快速分割运动目标;其次,结合深渊生物特点提出了基于Fisher判别函数的形状特征提取方法,然后使用粒子群优化(PSO)算法的支持向量机(SVM)分类法实现了鱼类的识别。最后,设计了深渊鱼类的自主观测算法,并提出了一种观测效率的评价方法。使用深渊原位观测视频进行模拟观测实验的结果表明,本文算法可有效提高观测效率。

摘要：基于RANS计算,开展长航程AUV螺旋桨的数值设计。该AUV设计航速仅2kn,要求阻力预报具有较高的精度;为此,各个方向的网格按相同尺度减小比率,设计了三套结构化网格,对阻力计算结果进行了数值不确定度分析。基于自航和敞水模拟,分析得到了实效伴流分布;应用升力线方法设计了适伴流最佳环量螺旋桨,采用螺旋桨进行了RANS自航模拟,预报了AUV的功率-转速-航速关系,并与湖试结果进行了初步比较,结果表明该方法具有良好的精度。

摘要：水陆两栖可变形机器人是一种兼具变形能力与两栖环境适应能力的新型移动机器人。在其机构设计中,结构参数直接影响该机器人在任务环境中的各项机动性能。针对水陆两栖可变形机器人工作环境复杂性和任务多变性,提出一种基于多目标遗传算法的机器人结构参数设计方法,以得到该型机器人在两栖环境中的最优的综合性能。在水陆两栖可变形机器人陆地环境和水环境中运动学和动力学模型基础上,建立两栖环境中机器人的机动性能指标函数与结构参数的映射关系,并在此基础之上构建面向水陆两栖可变形机器人的结构参数设计的多目标优化问题。利用多目标遗传算法得到该多目标机构参数设计问题的Pareto最优解集,并且通过组合赋权方法确定各目标决策属性的权重,从Pareto最优解集中得到符合设计要求的水陆两栖可变形机器人的各项机构参数最优解,进而指导机器人最终结构参数设计。根据最终得到的结构参数研制出水陆两栖可变形机器人样机Amoeba-II,并在两栖环境下进行样机的各项性能试验,最终验证了基于多目标遗传算法的机器人结构参数设计方法的有效性以及在机器人设计中的适用性。

摘要：在脊柱微创手术中医生徒手置钉的失误率较高,虽然机器人可以显著降低置钉的失误率,但是,手术环境的复杂性和不确定性,以及手术安全需求制约了机器人自动完成手术.本文通过建立手术空间速度场,设计速度场控制器,建立机器人运动学和动力学模型,完成机器人椎弓根螺钉自动植入的仿真和实验.相对于传统的时间轨迹控制,仿真实验验证了速度场控制方法在椎弓根螺钉自动植入过程中既能在扰动条件下保证手术轨迹的精确性又能避免对神经根的损伤.通过实验验证了速度场控制方法的可行性.

摘要：针对沼泽、浅滩等复杂环境对蛇形机器人的环境适应需求,在广泛分析国内外水陆两栖蛇形机器人研究最新进展的基础上,研发一种新型水陆两栖蛇形机器人。该机器人由9个具有密封设计的万向运动单元组成,保证了样机在陆地和水中均能灵活运动。基于简化的蛇形曲线得到水陆两栖蛇形机器人的基本二维运动步态即蜿蜒运动。对两个垂直平面上,即水平面和竖直面上基本步态进行复合,由基于启发式思想的三维步态生成方法,得到包括侧向蜿蜒等运动的水陆两栖蛇形机器人的多种陆地步态和水下步态,其中S形翻滚运动和螺旋翻滚运动为蛇形机器人的两种新型步态。通过步态试验验证了水陆两栖蛇形机器人的陆地和水下运动能力。在试验过程中,对陆地和水下步态的性能做出分析,分析结果对水陆两栖蛇形机器人在陆地和水下运动的位置和姿态控制具有重要意义。

摘要：以"海斗号"全海深自主遥控水下机器人(ARV)高效地实现深渊探测为目标,在分析其面向使命的典型性能指标的基础上,提出运用模糊层次分析法,构建"海斗号"总体设计的参数化模型.通过模型参数配置和优化,实现"海斗号"以最小时间成本完成深渊探测的目标.通过2次马里亚纳海沟深渊科考航次的海上试验,实现了"海斗号"与大垂直剖面深渊探测需求的匹配性,验证了本文参数化设计方法的有效性.