关键词： Soft robots   dexterity   softness   body compliance   elastomer   health care  

摘要： Biology has always motivated engineers to come up with efficient and reliable machines to move in complex environments. The dexterity, softness, and body compliance of natural system such as cephalopods or caterpillars have inspired robotic engineers to incorporate soft, deformable materials such as gels and elastomers into their designs. Hence, the inception of soft robots shifts the paradigm and trends in robotics, which could potentially revolutionize health care, human-robot interaction, field exploration, rehabilitation, and related applications. Throughout this review article, we have restricted our discussion to the applications of soft robots in biomedical domains exclusively and the perennial challenges faced therein.

关键词： 机器人学   同时定位与建图   闭环检测   孪生网络   残差网络  

摘要： 自主移动机器人正广泛应用于家庭服务、智能商业、智能交通、军事侦察等领域。机器人同时定位与建图(SLAM)是机器人领域的一个基础问题。其中,闭环检测是SLAM的重要组成部分。现有的闭环检测方法主要基于词袋模型,利用手工设计的特征来实现闭环检测。然而基于手工设计特征的词袋模型鲁棒性较差,尤其在遇到新场景时难以提取有效特征。为了提高机器人视觉SLAM闭环检测方法的适应性,本文尝试用基于学习的特征替代手工设计的特征来实现闭环检测。在机器人同时定位与建图中,要实现闭环检测首先需要提取摄像头采集的图像的特征,进而通过特征之间的相似性来判断是否检测到闭环。传统的闭环检测方法主要基于手工设计的特征,如SIFT、SURF、ORB等,这些手工设计的特征在实际应用中表现出较大的局限性,尤其难以应用于特征不明显或者未见过的新场景。另一方面,基于学习的特征逐渐在多种应用中表现出良好的适应性。本文提出了一种基于监督学习的闭环检测方法,简称孪生残差网络,它一方发面借鉴了孪生网络的度量学习思想,另一方面发挥了残差网络良好的特征表达能力。结合孪生网络和残差网络的优点,孪生残差网络能够有效的提取图像的抽象特征并将此特征用于度最学习。将孪生残差网络应用于机器人视觉SLAM领域能够取得优于手工设计特征的表现。作者完成的主要工作如下:(1)提出了一种面向孪生网络构建训练集的方法(2)设计有效提取特征的网络结构(3)建立评估机制用以比较不同方法。通过在不同测试集上对孪生残差网络与词袋模型方法的测试结果可以看出,在机器人视觉SLAM闭环检测方面,基于学习的闭环检测方法表现出更高的准确率、更好的鲁棒性和更短的耗时。基于学习的闭环检测方法有望使得视觉SLAM应用于更多场景,从而促进自主移动机器人的发展和应用。

关键词： 机器人竞赛   机器人教育  

摘要： 近年来,随着各种机器人竞赛活动的蓬勃兴起,机器人教育逐渐引起了学生、家长以及各级各类学校的关注,在最新的义务教育阶段信息技术课程标准和《国家九年义务教育课程综合实践活动指导纲要》中,机器人的设计和制作相关内容被列入信息技术课程选修课程。该文章分析了将机器人竞赛引入学校教育的意义,同时对如何有效的做好机器人竞赛辅导工作提出了可行的建议。

关键词： 全向轮   全向移动机器人   摩擦力   动力学模型   自适应滑模控制  

摘要： 全向轮是一种结构特殊、运动机能良好的全方位移动机构,它所搭载的全向移动机器人可以在任一平面内实现三自由度(水平、垂直和旋转)运动。而且,深入研究移动机器人的运动控制问题,可以很大程度上激发它潜在的运动能力,发挥它的运动优势,满足人们对全向移动机器人高精度、高自由度的需求。因此,全向移动机器人作为新时代快速发展的科技产物,具有极高的学术研究意义和现实使用价值。全向移动机器人是一种典型的非完整约束、囊括诸多不确定性因素的复杂系统。机械结构的误差、接触面的粗糙程度、外界的不定干扰等因素都会对全向移动机器人运动性能造成影响。论文以四轮全向移动机器人为研究对象,以全向轮与地面接触产生的摩擦力对移动机器人精确运动造成的影响作为研究重点,在借鉴、分析国内外已有的类似文献和研究基础上,作出如下研究:文章首先介绍了不同种类的全向轮,并对当前已有各种全向轮的优缺点进行了比较分析,突出了本文研究对象所采用的全向轮的特点。其次,基于其特殊结构和布局,对全向轮在转动过程中所受到的力进行详细分析,主要研究主动轮、从动轮所受地面摩擦力对移动机器人精确运动造成影响的问题;再以牛顿—欧拉动力学方程为基准,按照先局部后整体的逻辑顺序,依次建立单个全向轮和机器人整体的考虑摩擦力的动力学模型。之后,采用简单的PD控制验证摩擦力对移动机器人造成的影响。为减小摩擦力的影响,提高移动机器人运动控制的精度,论文依据机器人系统中物理矩阵之间存在的关系式,提出了一种新的滑模控制方法,并设计新的自适应控制率来减小滑模控制的抖震,再依据Lyapunov函数证明了此控制方法的稳定性。之后,使用MATLAB/Simulink结合S-Function对全向移动机器人进行仿真,分析不同路径下轨迹跟踪的结果,并在同等条件下与采用PD控制器的仿真结果比较,从而证明自适应滑模控制方法的有效性、精确性。最后,结合实验室已有实验设备,通过模拟路径实际操作,证明文章的观点。论文结尾做出总结,阐述了本课题的创新点和主要研究成果,以及本课题所具有的现实应用意义,并对研究中存在的不足之处和亟待改进之处提出展望。

关键词： 空间机器人   柔性基   柔性关节   轨迹追踪   振动抑制  

摘要： 在地球资源及空间日渐匮乏的21世纪,外太空已成为人类未来生存及发展的必争之地,但恶劣的外太空环境并不适于人类进行长时间舱外作业,更有甚者会对其生命安全构成潜在的威胁。为解决上述问题,具有人类手臂作业特性的空间机器人登上了历史舞台,并开始发挥其预期的应用优势。近年来,为了降成本、提效率,空间机器人质量越发轻型化、结构渐显柔性化,而因此出现的基座、关节柔性已开始引人关注。为确保系统的控制性能,本文拟对同时存在基座柔性及关节柔性的空间机器人展开动力学建模与运动控制研究。首先,基于对基座、关节柔性变形的合理假设与简化描述,结合空间机器人系统动量守恒关系及拉格朗日方程,建立了平面两杆姿态受控柔性基、柔性关节空间机器人的整体动力学模型。其次,为实现对系统刚性轨迹追踪运动与基座、关节柔性运动控制器的独立设计,基于柔性补偿的奇异摄动技术对柔性基、柔性关节空间机器人整体动力学方程进行刚、柔性运动解耦,获得刚性慢变子系统及柔性快变子系统。再者,基于上述快、慢变子系统,设计合理的控制方案以实现不同工况下柔性基、柔性关节空间机器人的刚性轨迹精确追踪及柔性抑振控制。在模型参数确定工况下,为慢变子系统轨迹追踪运动提出两种控制方案:计算力矩控制方案及模糊控制方案。在模型参数不确定工况下,为慢变子系统提出模型惯性参数可在线实时调节的自适应控制方案及可主动补偿系统不确定性的改进鲁棒滑模控制方案。在模型参数不确定且有外部扰动的复杂工况下,先后为慢变子系统设计了两种复合控制方案:鲁棒自适应终端滑模控制方案及鲁棒自适应神经网络有限时间控制方案。对于表示基座、关节柔性振动的快变子系统,为简化控制器设计,忽略其系统不确定部分,均采用线性二次最优控制方案对系统的柔性振动进行抑制。将每种慢变控制方案分别与快变最优控制方案相结合,可获得不同工况下柔性基、柔性关节空间机器人的整体混合控制方案。最后,将所提各种控制方案分别在柔性基、柔性关节空间机器人系统中进行数值仿真验证,仿真结果证实了所提控制方案的有效性。

关键词： 核电水池   水下机器人   动力学模型   水动力特性   线缆力分析  

摘要： 能源危机和环境污染问题日益凸显,促使人类不断探索新能源,核能作为一种清洁、高效的新能源走入了人们视野。在过去几十年,世界各地兴建了数以千计的核电站,但从2011年日本福岛核事故后,核电安全引起世界各国的广泛关注。核电水池是电站的核心部分之一,一旦发生破损,易引发核事故。以往都是采用人工方式对核电水池进行修复,不仅效率低,而且容易对作业人员造成伤害。因此,开展以应急状态下水下焊接为主,日常巡查为辅,可以适应核电水池环境,能够代替人工的水下机器人设计及相关技术研究,具有深远的现实意义。针对核电水池应急状态下的焊接作业和日常的巡查任务,设计了一款包括控制子系统、机械本体子系统和线缆收放子系统的全方位运动水下机器人系统。该机器人的本体子系统作为核心部分,采用开架式结构,内部搭载以三自由度移动机构为主体的焊接装置和观测设备等;在本体上矢量布局八个推进器,在其作用下机器人具备水下全方位运动功能,进而实现了多障碍环境下的水下巡查检测,并能够依靠顶层推进器产生的推力实现池底和池壁的附着定位,以便进行更加准确的检测或焊接作业。另外,机器人在水下运动时,通过调节三自由度移动机构运动,可以减小恢复力、恢复力矩对机体的影响,有助于机体实现翻转运动;在机器人附着定位时,通过控制三自由度移动机构的运动,可以通过观测设备与焊枪,完成目标跟踪和焊接作业。机器人系统中的尾端线缆用于信号传输,以及为机体和作业装置供电,能够满足水下焊接大电流供电的需要。水下机器人本体的控制器设计和操纵性研究,均是建立在机器人本体动力学模型基础之上的。为了建立准确的动力学模型,对机器人本体的主要扰动因素进行了深入分析。机体在水下运动时始终处于悬浮状态,导致机体运动稳定性随之降低,因此,水动力、线缆力成为影响机体控制和稳定性的主要扰动因素。为了准确揭示机器人本体运动,尤其是翻转运动时的水动力特性,建立了核电水池环境下的水动力模型。在模型中,不仅包括广域的水动力系数,还包含了因壁面阻碍而产生的近壁水动力因素。借助CFD仿真计算,虚拟仿真了机器人本体的直航运动试验、斜航运动试验、平面运动机构试验和悬臂运动试验,求解了相关的水动力系数,并提出了一种近壁水动力的仿真计算方法,完成了在机器人近壁运动时受到的水动力求解。尾端线缆会对机器人本体的运动和定位产生明显的扰动作用,因此,有必要对尾端线缆的力学特性进行计算分析。根据水池环境的特殊性,利用线缆微元法,分别建立了稳态运动、动态运动下的线缆三维力学模型。通过数值仿真计算,分析两种工况下机器人尾端线缆上各点的力学特性。并根据绞盘车与线缆连接点受力变化情况,为绞盘车的控制器的设计提供了参考数据。之后进行了无缆状态下和有缆状态下机器人本体的运动仿真计算,对比分析了水下机器人系统中线缆对本体的影响作用。根据前述设计,研制了水下机器人系统的原理样机,在室内水池内,开展了机器人运动性能测定试验,验证了水下机器人系统设计的各项指标。搭建了测试系统,借助循环水槽,开展了机器人的水动力测试试验。通过试验,测算了动力学模型中的水动力系数和近壁水动力特征参数,并与仿真计算结果对比,证明了CFD仿真计算的可信性。之后搭建了线缆力测试平台和制备了试验模型,在循环水槽内,开展了尾端线缆力学特性的试验研究,得到了不同水流流速下,线缆的稳态力学特性、动态力学特性参数曲线,验证了线缆力学模型和数值计算方法的正确性。

关键词： Embodiment   Human-robot interaction   Emotions   Experience co-creation   User experience   Consumer reviews  

摘要： Purpose - The purpose of this study is to explore consumer reviews with robotics based on the five dimensions for evaluating user experiences (i.e. embodiment, emotion, human-oriented perception, feeling of security and co-experience), as derived from research in human-robot interactions (HRI). Design/methodology/approach - The study first reviews the five dimensions for evaluating user experiences in HRI and then analyzes user experiences with robotics at four hotels (i.e. Yotel New York, Aloft Cupertino, Henn-na Hotel Japan and Marriott Residence Inn LAX) based on reviews on TripAdvisor, Agoda, Yelp and ***. Findings - The findings highlight the influence of robotic embodiment and human-oriented perceptions on consumer experiences. The findings also suggest that users and robots can co-create novel experiences, with some guests even proactively seeking new opportunities to interact and communicate with robots to develop a certain level of relationship with them. Research limitations/implications - An understanding of user experiences from HRIs can inform future hospitality and tourism research and management. Practical implications - This study contributes to hospitality and tourism management by highlighting current practices with robotics to suggest areas of improvements for enhancing future consumer experiences. Social implications - Consumer experiences will change rapidly as hospitality and tourism management deploys robotics in the future. Originality/value - This is one of the early studies in the field to explore consumer experiences with robotics based on the five dimensions for evaluating user experiences from research in HRI. In doing so, this study provides a number of theoretical and managerial implications relevant for hospitality and tourism research and practice.

关键词： FRC   机器人   研究性学习   校本开发   创新实践  

摘要： 高中阶段的研究性学习活动课程是综合实践活动的必修课程之一,它是基础教育课程体系的重要组成部分,在新课程改革中具有相当重要的地位。研究性学习以培养学生的创新精神和综合实践能力为目标,体现了素质教育的新理念。随着研究性学习活动课程走进了各中小学甚至是大学的课堂,它的理念和价值被广大的教育工作者所认同。

摘要： 一、中国高校智能机器人创意大赛引发参赛热潮《世界教育信息》:尊敬的陆教授,您好!您近期攻关了“高校竞赛评估与管理体系研究”项目,在研究项目的同时还推出了智能机器人创意大赛,请您介绍一下竞赛相关情况.陆国栋:我现在所任职的浙江大学机器人研究院位于浙江余姚,由浙江大学和余姚市共建,建设的基本路径是产学研深度融通、政产学研金五位一体.2017年12月,我们正式推出首届“中国高校智能机器人创意大赛”.截至报名结束,组委会秘书处收到来自172所院校共756支参赛队伍的报名,其中本科院校(不含军警与港澳台地区高校)共有160所、715支队伍;7所高职院校、22支队伍.此外,参赛队伍中还包括18支来自4所军校警校的队伍,1支来自香港中文大学的队伍.绝大部分九校联盟高校(8/9)参赛,其中北京大学1支,清华大学3支,南京大学7支,中国科学技术大学8支,浙江大学、上海交通大学、西安交通大学、哈尔滨工业大学各有10支队伍参赛.