智能机器人

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1. 医疗连续体机器人推进机构的研究进展

Yang Junlin, Yin Minyi, Wei Weiqing, Qiu Peng, Lu Xinzhan, Gao Anzhu

J Shanghai Jiaotong Univ Sci 2026, 31 (3): 693-706. DOI: 10.1007/s12204-026-2933-x

摘要（368）

PDF（pc）（2498KB）（96）

连续体机器人凭借其固有的柔顺性和优异的灵巧性，在微创手术中展现出重要的临床应用潜力。然而，在高度受限的解剖空间内，实现驱动系统的独立解耦控制以及长距离稳定传动，仍然是近端推进机构设计中的核心挑战。本文系统综述了连续体机器人的推进机构及其典型应用。根据运动与传动方式的不同，将推进机构划分为耦合推进构型与解耦推进构型：前者通过整体驱动模块的移动实现高运动刚性与高精度控制；后者则采用摩擦轮或卷绕等解耦传动方式，从而实现结构紧凑与长行程推进能力。围绕不同手术场景的需求，本文分析了面向应用的设计策略，重点探讨了如何通过结构选择与拓扑优化来适应复杂的解剖结构与手术环境约束。同时，还讨论了若干关键挑战，包括非线性摩擦引起的传动误差、无菌性与模块化设计要求，以及具身集成等问题。最后，展望了未来发展方向，包括高保真力反馈、模块化快速装配结构，以及感知-驱动一体化的具身系统，以推动下一代连续体机器人技术的发展。

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2. 具备半自动规划与碰撞检测功能的新型长骨骨折复位机器人系统

Wang Zhelong, Li Haitao, Shi Haochen, Chen Xiaojun

J Shanghai Jiaotong Univ Sci 2026, 31 (3): 721-733. DOI: 10.1007/s12204-026-2913-1

摘要（346）

PDF（pc）（2600KB）（82）

针对临床骨折复位手术中存在的感染、不愈合及畸形愈合等问题，本研究提出一种新型长骨骨折复位机器人系统。与现有机器人系统相比，该系统创新性地集成半自动手术规划新方法，可在监控下自主完成复位操作，为外科医生提供全流程临床辅助。此外，系统融合光学跟踪信息与机器人运动学模型，在复位过程中实时计算断骨位置，有效提升导航阶段对视线遮挡问题的容错率。该系统无需使用C形臂设备，可最大限度降低外科医生所受的辐射危害。为验证手术规划方法的有效性，本研究基于胫骨、股骨及腓骨骨折的临床数据开展轨迹规划实验；结果表明，所生成的规划路径长度短于现有方法。同时，本研究通过模型实验对系统精度进行验证，实验测得系统平均平移误差为0.96 mm，z轴旋转误差为0.26°，两项指标均满足临床应用要求。上述结果表明，该机器人系统有望辅助外科医生实施高精度手术操作，提升骨折复位精度，并缩短患者骨折复位时的运动路径长度。

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3. SHURUI-S系统：一款可适配不同鞘管结构的多臂单孔连续体手术机器人

Zhu Chuanxiang, Chen Yuyang, Kuang Haomin, Zhao Jiangran, Xu Kai

J Shanghai Jiaotong Univ Sci 2026, 31 (3): 742-758. DOI: 10.1007/s12204-026-2920-2

摘要（320）

PDF（pc）（4825KB）（105）

手术机器人的出现显著提升了微创手术的效能。单孔机器人手术因其在减小创伤和促进术后恢复的潜力而备受关注。单孔手术机器人通常配备专用的鞘管，用于置入内窥镜和手术器械。受限于系统整体设计，鞘管的结构通常是固定的。然而，在所有临床场景中使用单一结构的鞘管并不总是最佳的。本文为此首次提出了一种配备多体外机械臂的单孔连续体手术机器人，即SHURUI-S系统，该系统可根据经腹、经脐和经肋等不同手术入路的需求，灵活适配多种鞘管结构。推导了统一的运动学框架以实现多机械臂的协同控制，从而在适配不同鞘管时，能够完成鞘管对接、姿态调整及避免碰撞。此外，还建立了针对鞘管通道内接触驱动补偿策略的运动学模型，旨在提升连续体手术器械的运动精度。本文详细阐述了该系统的整体结构与设计优化过程，以及开展的机械臂运动能力和器械精度的验证实验。在单孔泌尿外科、妇科和普外科中完成的多例人体临床试验亦展示了SHURUI-S系统的设计有效性。

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4. 面向高龄脑卒中患者康复训练的柔性下肢外骨骼

Bai Jiaxin, Chen Hengyue, Wang Jixian, Yang Guoyuan, Yu Wenwei, Xie Le

J Shanghai Jiaotong Univ Sci 2026, 31 (3): 771-782. DOI: 10.1007/s12204-026-2921-1

摘要（425）

PDF（pc）（1564KB）（85）

随着人口老龄化加速，高龄脑卒中患者数量持续增加，其下肢运动功能障碍严重影响步态稳定性与生活质量。传统刚性外骨骼体积大、舒适性和柔顺性不足，难以满足高龄人群对安全性与轻量化的需求。针对上述问题，本文建立了鲍登线缆摩擦与弹性力学模型，并在此基础上提出基于导纳控制和PID控制的双环助力策略，实现对膝、踝关节步态偏差的柔顺补偿。通过两名高龄脑卒中受试者的穿戴实验进行验证，结果表明该系统能够显著提高膝关节屈曲能力，并在重度足内翻受试者中明显降低内翻峰值，同时减小关节角度波动、提升姿态稳定性。上述结果验证了所提出柔性外骨骼助力策略在高龄脑卒中康复中的可行性与应用潜力。

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5. CT引导下肺活检手术机器人研发

Zhang Han, Zhang Guoliang, Feng Shengjie, Li Qingyun, Qu Jieming, Xie Le

J Shanghai Jiaotong Univ Sci 2026, 31 (1): 1-11. DOI: 10.1007/s12204-025-2846-0

摘要（1364）

PDF（pc）（1960KB）（448）

传统的肺活检手术因缺乏实时影像引导，操作复杂且耗时，要求医生在手术室与CT影像设备之间频繁移动。机器人技术已在医疗手术中得到广泛应用；然而，如何以可靠的精度和安全性满足肺活检手术的要求，仍是一个研究课题。本文介绍了一种用于CT引导下肺活检的手术机器人。文中对该机器人机构进行了运动学分析，并为其开发了一套定制的主从控制系统。为确保手术过程的可靠性与真实感，提出了一种力反馈算法。最后，通过机构定位精度实验、靶点定位精度实验验证了系统的可行性，并开展了活体动物实验，为临床应用奠定了基础。

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6. 微创手术机器人的主从控制算法

Li Mengwen, Lv Penghao, Liu Qiao, Dai Yu, Zhang Jianxun

J Shanghai Jiaotong Univ Sci 2026, 31 (1): 24-35. DOI: 10.1007/s12204-025-2796-6

摘要（853）

PDF（pc）（1999KB）（333）

为了提高微创手术机器人轨迹的平滑度，建立了多自由度异构远程操作系统。为解决主从映射频率低导致的追随者手臂抖动问题，提出了一种定时采样多项式插值方法。利用齐次坐标变换矩阵建立了大地坐标系下的主从一致性运动映射。设计了基于位置和姿态分离的主从运动控制算法，包括相对运动控制算法和绝对姿态控制算法。此外，还增加了主从控制的重映射辅助功能，允许在不同工作空间对异构主从系统进行运动控制。最后，进行了多组实验来验证上述算法的有效性。通过对套环和套环-滑杆实验，证明了系统的稳定性。

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7. 加速度优化用于轮式机器人高精度纵向控制的速度规划方法

Wang Longsheng, Yuan Wei, Zhuang Hanyang, Wang Chunxiang, Yang Ming

J Shanghai Jiaotong Univ Sci 2026, 31 (1): 48-58. DOI: 10.1007/s12204-025-2836-2

摘要（651）

PDF（pc）（1219KB）（269）

近年来，轮式机器人在物流自动化领域得到了广泛的应用。在实际应用中，传统的速度规划方法没有充分考虑轮式机器人的惯性，轮式机器人到达目标区域的纵向误差太大，无法准确完成后续操作，特别是对于自动叉车等大型装载轮式机器人。为了解决上述问题，本文提出了一种基于优化的加速度奖励速度规划方法，旨在使轮式机器人平稳准确地到达目标区域。该方法首先将加速度信息引入基于动态约束的速度规划中，然后将速度规划建模为优化问题，以平滑速度变化。实验验证表明：采用该方法的轮式机器人纵向误差显著减小，且速度平稳性得到提高。

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8. 面向残疾人助餐任务的机械臂规划与控制技术

Dai Feifan, Pei Zijun, Wang Pu, Chen Weidong

J Shanghai Jiaotong Univ Sci 2026, 31 (1): 71-81. DOI: 10.1007/s12204-024-2779-z

摘要（745）

PDF（pc）（3597KB）（231）

对于有上肢障碍的残疾人来说，进食是一项必不可少的活动，因此诞生了许多喂养机器人。然而，安全性和可靠性是建立对辅助机器人信任的两个基本要素。因此，开发了一种安全可靠的机器人辅助喂食系统的规划和控制方法。首先，喂养任务扩展到包括餐前准备和进食。然后将喂食任务分为开门，抓取和转移，取餐具，叉取食物，和转移食物五个子任务。同时，系统从用户界面、任务规划、运动规划、控制和感知五个层面进行构建。其次，基于以运动为中心的分类方法，将馈送任务分解为一系列运动原语；然后利用这些原语构造一组状态集，然后使用有限状态机作为任务管理器，在馈送任务中调节工作流程。第三，描述了面向安全的运动规划器、食品选择器、导纳控制器和碰撞检测器。最后，在实验室进行了实验，并进一步在康复医院进行了脑卒中患者的实验。实验结果表明，该系统安全可靠。

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9. 用于工业机器人关节跨设备故障检测的混合学习模型

Xiao Lei, Zhao Hailong, Wu Xun, Wang Jun, Zhou Qihong

J Shanghai Jiaotong Univ Sci 2026, 31 (1): 82-98. DOI: 10.1007/s12204-025-2843-3

摘要（1121）

PDF（pc）（1208KB）（248）

工业机器人被广泛应用于提高生产效率，但随着其服役时间的延长，关节故障的风险也在不断增加。然而，末端执行器的运动异常可能源自末端执行器本身的故障，或者是由于其他关节的运动传播导致的。此外，用于故障检测的故障样本稀缺，这给故障诊断带来了巨大挑战。安装额外的加速度计以实现更精确的故障诊断可能会增加系统的复杂性和成本。为应对这些挑战，本研究利用数据采集的便利性，分析多关节工业机器人的电流数据。提出了一种用于跨设备故障检测的混合学习方法，以识别故障关节。该方法整合了深度网络和频谱分析的特征，从其他机器人和目标机器人中提取知识。采用基于融合特征的无监督模型来评估关节状态。通过消融实验和对比试验验证了所提方法的有效性。结果表明：该方法能够准确检测异常关节，且不会出现误判。

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10. 真空晶圆传输机器人碰撞检测

Fang Xingyu, Wei Xianming, Sun Jintao, Xu Linsen

J Shanghai Jiaotong Univ Sci 2026, 31 (1): 99-105. DOI: 10.1007/s12204-026-2899-8

摘要（907）

PDF（pc）（1712KB）（312）

针对晶圆传输机器人在狭小的真空腔体内发生碰撞后会导致晶圆碎片和生产线污染的安全问题，提出了一种基于机器人动力学模型与加速度调节阈值的碰撞检测与响应方案。首先，对晶圆传输机器人的结构与运动特点进行了分析；在此基础上建立了机器人的运动学模型和动力学模型并在仿真软件上进行了仿真验证。为避免噪声的引入，使用在上位机规划的轨迹来计算机器人动力学模型；基于互相关分析出规划轨迹与编码器反馈得到的轨迹之间的相位差，并在算法中进行了相位补偿。在碰撞阈值的设定方面，视机器人发生碰撞的风险程度，基于机器人的加速度制定了阈值调节方案。最后，在真空晶圆传输机器人上开展了碰撞检测实验；实验结果证明了该方法的有效性。

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11. 微小型星表探测机器人发展综述

Dong Kaijie, Li Ziqi, Gao Mingxing, Zhang Jianhua, Li Duanling

J Shanghai Jiaotong Univ Sci 2026, 31 (1): 221-240. DOI: 10.1007/s12204-025-2857-x

摘要（824）

PDF（pc）（3893KB）（247）

随着人类对宇宙探索的深入，微小型星表探测机器人已经成为了深空探测的重要工具。本文对国内外的探测机器人的发展历程进行了综述，并系统分析了各类典型微小型星表探测机器人的关键结构特点和应用，重点介绍了其技术特点和性能。此外，本文还重点介绍了新型探测机器人的最新研究进展，解决了设计和功能方面的创新。最后，讨论了微小型星表探测机器人的未来发展趋势和前景，强调了其将深空探测推向新领域的潜力。这项研究对推动中国航天事业的发展具有重要作用。

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12. 基于李雅普诺夫奖励塑造的移动机器人自适应LSAC-PID控制方法

YU Xinyi, XU Siyu, FAN Yuehai, OU Linlin

J Shanghai Jiaotong Univ Sci 2025, 30 (6): 1085-1102. DOI: 10.1007/s12204-023-2631-x

摘要（1680）

PDF（pc）（2455KB）（517）

为了解决复杂多变环境下多输入多输出（MIMO）系统的控制问题，本文针对移动机器人的自动控制提出了一种基于深度强化学习（RL）的无模型自适应LSAC-PID方法。根据环境反馈，作为上层控制器的RL智能体将最优参数输出给下层MIMO PID控制器，实现实时最优控制。首先，提出了一种无模型自适应MIMO PID混合控制策略，通过强化学习中最先进的软演员评论家（SAC）算法来实现控制参数的实时最优整定。其次，为了提高RL的收敛速度和控制性能，基于李雅普诺夫理论设计了一种适用于非策略RL算法的奖励塑造方法，并基于此确定了一种基于李雅普诺夫奖励的自适应LSAC-PID整定方法。通过软策略迭代的策略评估和策略改进，从数学上证明了提出的LSAC-PID算法的收敛性和最优性。最后，基于所提出的奖励塑造方法，针对循线机器人系统设计了奖励函数来提高其稳定性。仿真和实验结果表明，在不依赖控制系统模型和解耦控制回路的情况下，提出的自适应LSAC-PID方法可以实现MIMO PID参数的实时最优整定，具有收敛速度快、泛化性强和实时性高等优点。

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13. 基于EEPPO的四足机器人步态学习方法复现

LI Chunyang, ZHU Xiaoqing, RUAN Xiaogang, LIU Xinyuan, ZHANG Siyuan

J Shanghai Jiaotong Univ Sci 2025, 30 (6): 1125-1133. DOI: 10.1007/s12204-023-2666-z

摘要（1674）

PDF（pc）（1430KB）（325）

基于强化学习方法来实现四足机器人仿生步态学习已成为一种新的研究方向；其中近端策略优化（proximal policy optimization, PPO）算法由于存在奖励稀疏等问题，PPO算法从零开始学习到成功的步态概率不高。为解决上述问题，本文提出一种融合先验知识进化引导的四足机器人步态学习算法EEPPO（experience evolution proximal policy optimization）算法。EEPPO算法将进化策略训练成功样本作为先验知识，用于引导学习方向以提高学习算法成功概率。为验证提出的EEPPO算法有效性，在Pybullet平台上进行了四足机器人步态学习任务仿真实验。实验结果表明：使用机器人的速度、姿态与关节等关键信息，对CPG-RBF网络和策略网络同时更新以实现四足机器人的仿生对角小跑步态学习任务。为进一步验证本文算法优越性，将EEPPO算法与传统SAC（soft actor-critic）算法进行比较；该方法能够在平地地形中学习到更加稳定的对角小跑步态。

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14. 多机器人协调吊运系统动力学分析与轨迹求解

ZHAO Xiangtang, ZHAO Zhigang, WEI Qizhe, SU Cheng

J Shanghai Jiaotong Univ Sci 2025, 30 (6): 1134-1143. DOI: 10.1007/s12204-023-2649-0

摘要（1181）

PDF（pc）（771KB）（279）

针对多机协调吊运系统的欠约束特性，柔索只能对被吊运物提供单向约束力，导致吊运系统的动态响应不能完全控制。以固定基多机器人协调吊运系统的运动学为基础，利用牛顿-欧拉方程和Udwadia-Kalaba方程建立吊运系统的动力学模型。为了得到稳定性高且控制性强的运动轨迹，对吊运系统的运动轨迹进行了优化。在吊运过程中，将柔索松弛状态和张紧状态的转变过程视为被吊运物与机器人末端的碰撞。通过分析吊运系统在单自由度变量和多自由度变量求解的运动轨迹，结果表明优化后的运动轨迹更接近实际，真实反映了柔索对被吊运物的约束。研究结果为该吊运系统的轨迹规划和协调控制提供了依据。

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15. 钢丝绳巡检机器人研究综述

SUN Bowen, YANG Jianhua, LI Baofeng, LI Shangyuan, WANG Liang, XU Zhongqi

J Shanghai Jiaotong Univ Sci 2025, 30 (6): 1144-1161. DOI: 10.1007/s12204-023-2641-8

摘要（781）

PDF（pc）（2596KB）（380）

钢丝绳巡检机器人是钢丝绳状态监测和维护的重要工具，能够对钢丝绳损伤进行准确定位和程度判别。钢丝绳巡检机器人也可以用于缆索检测。首先，综述了钢丝绳巡检机器人爬行结构和爬行方式，分析了每种爬行方式的特点以及存在的问题。接着，论述了钢丝绳巡检机器人的驱动方式，介绍了其常用电机的类型，对比了驱动电机的优缺点以及控制方式。再接着，阐述了钢丝绳巡检机器人无损探伤检测的方法和原理，对比了目前常用的检测方法以及存在的不足。然后，对通信方式的类型进行对比分析，同时也介绍了无线通信方式的种类。最后，归纳了目前钢丝绳巡检机器人存在的问题，并展望了钢丝绳巡检机器人未来的发展趋势。

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16. 浮动式多机器人协调吊运系统负载稳定性分析

SU Cheng, ZHAO Xiangtang, YAN Zengzhen, ZHAO Zhigang, MENG Jiadong

J Shanghai Jiaotong Univ Sci 2025, 30 (6): 1162-1170. DOI: 10.1007/s12204-023-2634-7

摘要（1337）

PDF（pc）（1557KB）（282）

目前海上使用的起重机在灵活性、效率和安全性上存在不足，因此提出一种浮动式多机协调吊运系统来弥补海上吊运的需求。针对浮动式多机协调吊运系统很难用传统的方法分析稳定性，本文首先分别以吊运系统柔索的最小拉力与刚度矩阵的最小奇异值对负载的稳定性进行了分析，并且探讨了两种稳定性分析方法的优缺点。然后对两种稳定性分析方法进行数据归一化和加权处理，得出了最小拉力值与刚度最小奇异值的方法，综合分析了负载的稳定性。最后以三组不同的加权系数，分析了加权系数对负载稳定性的影响，并通过与单一分析方法做对比，最终得到了合理的评价负载稳定性的加权系数。研究结果为该吊运系统的运动规划和协调控制提供了基础。

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17. 基于仿真的新型比例导数/H∞混合控制器用于改进双连杆机械臂轨迹跟踪

BANKOLE Adesola Temitope, IGBONOBA Ezekiel Endurance Chukwuemeke

J Shanghai Jiaotong Univ Sci 2025, 30 (6): 1179-1187. DOI: 10.1007/s12204-023-2660-5

摘要（876）

PDF（pc）（707KB）（294）

为提高串联双连杆机器人手臂的跟踪性能，提出了一种将比例导数（PD）和H∞控制方法相结合的混合控制策略。H∞控制器能够在存在干扰和不确定性的情况下实现高性能和鲁棒性，而PD控制器在稳定机械臂方面是有效的。Matlab和Simulink仿真结果表明，该混合控制器综合了PD控制器和H∞控制器的优点，具有在第二连杆上升时间最短、两连杆稳定时间最短、两连杆峰值时间最短、误差响应衰减最快的特点。此外，混合控制方案的均方误差值也最低，比H∞控制器提高了53.3%，比PD控制器提高了91.8%，表明了与纯PD和纯H∞控制器相比，混合控制方案的轨迹跟踪性能有所提高。第二连杆的积分绝对误差、积分平方误差、积分时间绝对误差和积分时间平方误差最小，而第一连杆的误差值令人满意，表明混合控制器的性能分别优于PD和H∞控制器。

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18. 适用于机器人辅助微创手术的六自由度主手设计

Cheng Hongyu, Zhang Han, Wang Shuang , Xie Le

J Shanghai Jiaotong Univ Sci 2025, 30 (4): 658-667. DOI: 10.1007/s12204-024-2773-5

摘要（762）

PDF（pc）（1866KB）（562）

主手是机器人辅助微创手术遥操作系统的重要组成部分。基于并联机构的六自由度主手具有惯量低和反馈力高的优点；然而，复杂的运动学和奇异性限制了并联型主手的设计及应用。基于6-RUS机构设计了一款主手，用于构建主从遥操作系统。首先简要介绍了主手的临床背景，并采用具有代表性的手术机器人对主从映射关系进行了分析。随后推导了主手的正逆运动学、雅可比矩阵、平移和姿态工作空间，作为主手操作的基础，并采用全局传递指数对结构参数进行优化，以获得更好的运动/力传递性。在此基础上，制作了主手样机，设计了主从控制系统，进行了主从远程操作实验和模型实验，试验结果表明所设计的主手能够满足机器人辅助微创手术的基本需求。

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19. 适用于新型胃肠道胶囊机器人的二维矩形螺线管发射线圈设计与实验

Wen Renqing, Yan Guozheng, Wu Jinbin, Wang Zhiwu, Kuang Shuai, Han Ding

J Shanghai Jiaotong Univ Sci 2025, 30 (4): 825-832. DOI: 10.1007/s12204-024-2752-x

摘要（617）

PDF（pc）（1309KB）（281）

本文提出了一种二维矩形螺线管发射线圈，以解决三维接收线圈在胶囊机器人体内占用过多空间的问题。发射线圈由两对矩形螺线管线圈组成，沿人体径向分布排列。通过改变发射电流方向，可以产生覆盖整个中心平面的二维磁场。首先介绍了无线能量传输系统的工作机制，然后通过数学计算和有限元模拟分析了发射线圈产生的空间电磁场。最后搭建实验平台，确定系统的最佳谐振频率，并对其能量传输效率和接收线圈的接收功率进行了测试，验证了该系统的有效性。实验结果表明：当接收线圈位于中心处，接收功率为1416 mW，传输效率为3.96%。此外，当接收线圈工作在中心平面时，无论何种姿态均能接收到满足机器人工作需求的能量。

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20. 近红外胶囊机器人无线能量接收线圈优化设计

Wang Wei, Zhou Cheng, Jiang Jinlei, Cui Xinyuan, Yan Guozheng, Cui Daxiang

J Shanghai Jiaotong Univ Sci 2025, 30 (3): 425-432. DOI: 10.1007/s12204-024-2717-0

摘要（660）

PDF（pc）（1554KB）（454）

针对近红外胶囊机器人的能量供给不足、波动过大等问题，提出了一种无线能量接收线圈设计优化方法。首先通过电磁与电路分析，建立了无线能量传输系统的磁感应强度模型与等效电路模型。结合上述模型，以各维度绕组层数为优化变量，以接收端负载功率归一化标准差和空间尺寸为约束条件，以接收端负载功率平均值最大化为优化目标，建立了接收线圈的优化模型。最后，绕制了三种不同参数的三维接收线圈，通过实验测试了不同驱动电流下的接收端负载功率，对优化结果进行了验证。实验结果显示：接收端负载功率实验值与理论值变化趋势一致，实验值均小于理论值；接收端负载功率归一化标准差理论值为4.6%，平均实验值为9.6%。该研究解决了近红外胶囊机器人的供电问题，对胃肠道疾病的早期诊断和治疗具有重要意义。

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21. 多机协调吊运系统的绳索矢量碰撞检测算法研究

Li Tao, Zhao Zhigang, Zhu Mingtong, Zhao Xiangtang

J Shanghai Jiaotong Univ Sci 2025, 30 (2): 319-329. DOI: 10.1007/s12204-023-2592-0

摘要（1270）

PDF（pc）（1259KB）（394）

针对多台机器人通过柔性绳索协调吊运同一被吊运物的过程中，现有的绳索与环境障碍物碰撞检测算法存在误判和漏判问题，本文研究了绳索矢量的碰撞检测，通过算法实现碰撞检测目的。考虑绳索自身特性，基于有向包围盒理论，建立了绳索优化模型与环境障碍物模型，提出新的基本几何碰撞检测模型。在此基础上，提出一种绳索矢量碰撞快速检测算法和优化原则。最后，通过仿真验证了绳索碰撞检测模型的合理性和所提算法的有效性。仿真结果表明，该方法能够满足快速检测原则和复杂虚拟环境下的精度要求。研究结果为系统避障运动规划奠定了基础。

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22. 基于RGB-D图像的机器人抓取检测高效全卷积网络和优化方法

Nie Wei, Liang Xinwu

J Shanghai Jiaotong Univ Sci 2025, 30 (2): 399-416. DOI: 10.1007/s12204-023-2615-x

摘要（1631）

PDF（pc）（6236KB）（468）

机器人抓取检测是机器人的一项基本视觉任务。基于深度学习的方法在提高非结构化场景中无模型物体的抓取检测能力方面取得了优异的成绩。大多数流行的方法旨在探索深度网络模型，并利用RGB-D图像结合颜色和深度数据来获得丰富的特征表示。然而，目前的工作很难在准确性和实时性之间取得令人满意的平衡。RGB和深度特征的差异性没有得到足够的重视，同时，也欠缺对模型预测失败的处理。在本文中，我们提出了一个高效的全卷积网络来预测RGB-D图像中的像素级抓取参数。利用多个轻量级的特征提取模块建立了一个具有层次性的特征融合结构。一个具有三维全局注意力的特征融合模块被用来充分提取RGB和深度图像中的互补信息。此外，为了应对模型预测的可能失败，我们提出了一种基于局部抓取路径的抓取配置优化方法。我们在Cornell和Jacquard两个公共抓取数据集上进行了广泛的实验，证明了我们的方法可以提高抓取未知物体的性能。

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23. 基于局部语义地图的移动机器人半自主导航

赵艳飞1,2,3, 肖鹏4, 王景川1,2,3, 郭锐4

J Shanghai Jiaotong Univ Sci 2025, 30 (1): 27-33. DOI: 10.1007/s12204-023-2678-8

摘要（3004）

PDF（pc）（996KB）（475）

以智能轮椅为代表的移动机器人可以帮助行动不便的老年人。本文提出了基于局部语义地图的移动机器人半自主导航系统，该系统可以帮助用户在无先验地图的环境中执行精确导航（例如对接）。为了克服传统局部路径规划算法在对接时出现反复震荡的问题，本文采取模式切换方法，在靠近语义目标的时候系统切换为反馈控制完成对接。最后，在真实的环境中进行了对比实验。结果表明：我们的方法在安全，舒适和对接精度上具有优越性。

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24. 低延时纤维胆道镜机器人驱动控制系统

周涵巍1，朱心平1，马有为2，王坤东1

J Shanghai Jiaotong Univ Sci 2025, 30 (1): 43-52. DOI: 10.1007/s12204-024-2709-0

摘要（1028）

PDF（pc）（1221KB）（278）

纤维胆道镜是胆道系统疾病的诊断和手术治疗的重要工具。但传统的纤维胆道镜操作困难，精度较低。基于传统纤维胆道镜，研制了电动控制遥操作低延时的纤维胆道镜机器人驱动控制系统。设计了钢丝牵引机构和镜体回转机构，进行胆道镜体前端的弯曲和整体回转，实现了行进方向的控制。建立了钢丝牵引机构的死区补偿模型和控制算法，提高了胆道镜方向控制的准确性。基于ARM嵌入式系统和FPGA开发了人机交互系统和复杂运动控制系统，建立了低延时全流程手术模式设计，并进行了验证。结合微型图像传感器，实现了实时视频回传。通过活体猪动物实验，验证了机器人样机的预期设计性能。该机器人操作延时极低，不超过0.402 ms；弯曲定向精度高达1.43°（99.7%置信区间），能够保障胆道手术的安全性和精确性。

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25. 基于主被动联合驱动的助力型踝关节外骨骼机器人的协调性设计

贺贵松，黄学功，李峰

J Shanghai Jiaotong Univ Sci 2025, 30 (1): 197-208. DOI: 10.1007/s12204-023-2589-8

摘要（1041）

PDF（pc）（2027KB）（349）

随着现代化战争的不断升级，士兵需要将更多的作战物资运送到作战区域。由于士兵的负重能力有限，这严重制约了士兵的携行能力和机动能力，所以研制出适合单兵作战的助力型外骨骼机器人就显得迫在眉睫。以往的助力型外骨骼机器人大多数采用电机驱动，这种驱动方式有着很好的助力效果，但往往续航能力不足。本文针对这一缺点，通过对人体运动进行仿真分析，设计了一款基于主被动联合驱动的踝关节外骨骼机器人，并利用OpenSim软件仿真验证了弹簧的加入可以很好地实现助力效果，同时根据人体步态特征对外骨骼机器人进行了步态规划。之后采用理论分析说明了在该步态下可以实现弹簧、电机、穿戴者三者之间的协同。最后通过实验验证了主被动联合驱动的助力型踝关节外骨骼机器人的驱动协调性和助力性。

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26. 基于机器学习的移动机器人路径跟踪MPC控制器参数自整定

刘月笙, 贺宁, 贺利乐, 张译文, 习坤, 张梦芮

J Shanghai Jiaotong Univ Sci 2024, 29 (6): 1028-1036. DOI: 10.1007/s12204-022-2545-z

摘要（1424）

PDF（pc）（920KB）（418）

模型预测控制（MPC）是一种广泛应用于机器人系统的基于模型的最优控制策略。研究了轮式移动机器人路径跟踪MPC控制器参数整定问题，提出了一种新的参数自整定方法。首先，提出了两个新的路径跟踪性能指标，即稳态时间比值和稳态距离比值，以更准确地反映MPC控制性能。其次，基于机器学习方法构建所提出的指标与MPC参数之间的映射关系，进一步设计了一种能够在线自动整定控制参数的新型控制器结构。最后，利用一台真实的轮式移动机器人进行实验验证。实验结果表明：与现有方法比较，所提出方法在机器人路径跟踪的快速性、准确性和自适应性方面都有显著提高。

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27. 动态环境下基于改进DQN的多智能体路径规划方法

李舒逸, 李旻哲, 敬忠良

J Shanghai Jiaotong Univ Sci 2024, 29 (4): 601-612. DOI: 10.1007/s12204-024-2732-1

摘要（2690）

PDF（pc）（1213KB）（1599）

动态环境中多智能体路径规划问题一直是一个挑战，主要是由于障碍物位置的不断变化以及智能体之间复杂的相互作用。这些因素导致解决方案收敛速度慢，甚至在某些情况下完全发散。为了解决这个问题，提出了一种利用双重决斗深度Q网络（D3QN）的新方法，适用于动态多智能体和复杂环境。设计了一种基于多智能体位置约束的新奖励函数，并采纳了一种基于增量学习的训练策略，以实现多个智能体的协作路径规划。此外，为了避免收敛到局部极值，引入了贪婪和玻尔兹曼概率选择策略来进行行动选择。为了融合雷达和图像传感器数据，构建了卷积神经网络-长短时记忆（CNN-LSTM）架构，以提取多源测量的特征作为D3QN的输入。同时，在使用机器人操作系统和Gazebo的模拟环境中验证了算法的效能和可靠性。仿真结果显示，所提出的算法为动态场景中的路径规划任务提供了实时解决方案。在平均成功率和准确性方面，所提出的方法优于其他几种深度学习算法，而且收敛速度也得到了提升。

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28. 基于控制屏障函数的自主移动机器人安全编队分布式模型预测控制

穆建彬，杨海丽，何德峰

J Shanghai Jiaotong Univ Sci 2024, 29 (4): 678-688. DOI: 10.1007/s12204-024-2747-7

摘要（1480）

PDF（pc）（969KB）（715）

针对不确定扰动环境下自主多移动机器人系统的安全编队问题，设计了一种基于鲁棒控制屏障函数（RCBF）的分布式模型预测控制（DMPC）方法。首先，分析系统在编队过程中的安全性要求，并将其归为避碰和距离连通性保持两部分。基于避碰和连通性保持要求分别设计RCBF约束，并组合得到安全约束。然后，将所设计的安全约束与自主多移动机器人编队控制目标相结合，得到优化问题，并与DMPC方法结合以实现安全编队控制。最后，提出RCBF-DMPC算法，在满足约束和期望目标的前提下，保证算法的迭代可行性和稳定性。并通过仿真实验验证了所设计算法能够满足协同编队要求且保证系统安全性。

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29. 基于深度强化学习的多模态多目标多机器人任务分配算法

苗镇华1, 黄文焘2, 张依恋3, 范勤勤1

J Shanghai Jiaotong Univ Sci 2024, 29 (3): 377-387. DOI: 10.1007/s12204-023-2679-7

摘要（2631）

PDF（pc）（975KB）（801）

多机器人任务分配直接影响多机器人协作系统的整体性能。为提高多机器人协作系统的有效性、鲁棒性和安全性，本文提出一种基于深度强化学习的多模态多目标进化算法。在所提算法中，使用一种改进的多模态多目标进化算法来对多机器人任务分配问题进行求解，并在最后一代利用深度强化学习以端到端的方式给出各个机器人执行任务的路线。为验证所提算法的性能，与三种知名的多模态多目标进化算法在三种不同场景的多机器人任务分配问题上进行比较。实验结果表明，所提算法能够提供尽可能多的等效方案来提高多机器人协作系统在不确定环境下的可用性和鲁棒性，并且能够找到最佳方案来提高多机器人协作系统的整体任务执行效率。

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30. 一种四阶段的快速移动机器人局部轨迹规划方法

黄山1，黄洪钟1，曾奇2

J Shanghai Jiaotong Univ Sci 2024, 29 (3): 428-435. DOI: 10.1007/s12204-022-2423-8

摘要（1307）

PDF（pc）（1810KB）（377）

局部轨迹规划承担着移动机器人快速、平滑避障的功能，是评估移动机器人导航能力的主要指标之一。目前的方法把局部轨迹规划的各项要求表示成统一的问题进行求解，在计算能力受限时，基本上不能满足实时性。针对上述情况，本文提出了一种在低成本处理器上运行速度可以达到500 Hz的快速局部轨迹规划算法。把轨迹规划问题分为前端搜索和后端优化两个部分，其中前端搜索部分包括环境拓扑分析和图搜索，后端部分包括满足运动学约束的轨迹生成和最优轨迹的选取。与目前大多数方法不同，本文把轨迹规划问题分解成四个子模块，每一个子模块只考虑一个问题。通过四个子模块组合形成一个完整的规划算法，该算法快速地生成一条平滑、无碰撞的轨迹。实验证明提出的方法可以生成平滑且满足运动学约束的安全轨迹，并且有较快的规划速度。

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31. 基于影响系数法的机器人动力学方程约束关系建立

徐亚茹1,2，李克鸿1,2，商新娜2，金晓明1,2，刘荣3，张建成1,2

J Shanghai Jiaotong Univ Sci 2024, 29 (3): 450-456. DOI: 10.1007/s12204-023-2661-4

摘要（1524）

PDF（pc）（656KB）（340）

工作要求和环境的多样性使得工业机器人的自由度数和结构复杂性不断增加，难以建立其精确的动力学模型，对实现稳定、快速、准确的轨迹跟踪控制造成很大的阻碍。因此，在利用运动学影响系数法求解Jacobian矩阵和Hessian矩阵的基础上，推导了多自由度工业机器人解析动力学方程中约束关系的一般表达式，建立了基于Udwadia-Kalaba理论的含一般约束关系表达式的解析动力学方程，从而解决了多自由度工业机器人在完成复杂任务约束时增加约束关系建立时间的问题。以SCARA机器人为研究对象，仿真结果表明：该方法为复杂约束条件下的工业机器人系统建模提供了一种新的思路。

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32. 助力型下肢外骨骼机器人研究综述

贺贵松, 黄学功, 李峰, 汪辉兴

J Shanghai Jiaotong Univ Sci 2024, 29 (1): 1-15. DOI: 10.1007/s12204-022-2489-3

摘要（3043）

PDF（pc）（1195KB）（1626）

助力型下肢外骨骼机器人是一种可穿戴智能机器人系统，涉及力学、材料、电子、控制、机器人学等诸多领域。该系统借助外部能源为人类提供额外的动力，可以增强人体的机能，帮助穿戴者承受以往无法承受的重量。同时，通过合理的结构设计和被动储能等方式，还可以对特定动作进行辅助。本文首先介绍了助力型下肢外骨骼机器人在国内外的研究现状，针对几种典型样机进行了详细分析。之后又对其结构设计、驱动方式、感知技术、控制方法、能源管理、人机耦合等关键技术进行了综述，并将外骨骼机器人常用的一些设计方法进行了归纳与对比。最后总结了助力型下肢外骨骼机器人研究中依旧存在的问题和可能的解决方案，并对未来的发展趋势进行了展望。

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33. 个性化下肢康复外骨骼机器人的关键技术综述

陶璟, 周振欢

J Shanghai Jiaotong Univ Sci 2024, 29 (1): 16-28. DOI: 10.1007/s12204-022-2452-3

摘要（3085）

PDF（pc）（1179KB）（4701）

康复治疗和日常生活辅助对提高脑卒中、脊髓损伤、脑瘫、骨科术后病人以及老年人群等下肢运动障碍患者的生活质量有关键作用。下肢康复外骨骼机器人在以上人群康复治疗和生活辅助方面具有良好应用前景。本文针对面向多样化个性化用户需求的外骨骼机器人开发，首先分析并综述了下肢康复外骨骼机器人本体模块化、仿生柔顺驱动、个性化自适应步态规划以及面向个体的运动意图感知与推理方法和技术。进一步，基于服务化理论，探讨了面向个性化医疗的下肢康复外骨骼机器人产品服务系统开发潜力和关键支持技术。康复外骨骼今后研究趋势应是从个体化特征和个性化需求入手，以此驱动外骨骼机器人本体技术和服务化开发，从而技术上实现真正人机协同与融合，效用上实现可获得的高质量康复医疗和生活辅助。

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34. 一种新型线驱动手术软体机器人

李茹1，陈方2，俞文伟3，IGARASH Tatsuo3,4，舒雄鹏1，谢叻1,5,6

J Shanghai Jiaotong Univ Sci 2024, 29 (1): 60-72. DOI: 10.1007/s12204-022-2497-3

摘要（1826）

PDF（pc）（2939KB）（1461）

机器人辅助腹腔镜根治性前列腺切除术（RARP）广泛应用于前列腺癌的治疗。RARP中主要使用的刚性器械不能克服手术中盲区问题，导致更多创伤，如器械通过时需要更多切口和刚性器械造成额外组织损伤。软体机器人相对灵活，理论上具有无限自由度，可以克服刚性仪器的问题。本文研制了一种单孔经膀胱机器人辅助根治性前列腺切除术（STvRARP）系统。该柔性机械手直径为10 mm，最大弯曲角度为270°，具有良好的灵活性和灵巧性。本文介绍了软体机器人的设计和机械结构。根据所设计的柔性机械臂特点，建立了柔性机械臂的运动学模型，并进行了逆运动学补偿。建立了手术软体机器人主从控制系统，验证了所设计的手术软体机器人的可行性。

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35. 柔性输尿管镜末端偏转运动的迟滞特性建模与运动补偿

华鹏a，舒雄鹏a，谢叻a,b

J Shanghai Jiaotong Univ Sci 2023, 28 (4): 507-. DOI: 10.1007/s12204-022-2505-7

摘要（1046）

PDF（pc）（1652KB）（483）

柔性输尿管镜手术已广泛应用于上尿路疾病的诊断和治疗中，该手术的关键步骤是医生操作柔性镜末端到达目标区域进行诊疗。然而，柔性输尿管镜末端的偏转会表现出很明显的柔性迟滞特性，这可能是降低医生操作精度的最重要因素之一，因此在实际手术中医生往往需要花费较长的时间操作柔性镜末端到达目标治疗区域。本研究中，我们通过大量重复实验获得了柔性输尿管镜末端偏转的迟滞运动曲线，然后分别使用分段线性近似方法和长短期记忆网络方法对迟滞特性曲线进行建模分析。在此基础上，我们提出两种柔性镜末端偏转运动的迟滞补偿策略并开展一系列补偿实验来验证运动补偿策略的有效性。实验结果表明这两种迟滞补偿策略可以显著地提高柔性镜末端偏转运动精度，平均补偿误差不超过5°。

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36. 用于膝关节辅助的集成式液压驱动可穿戴机器人

赵亚飞, 黄超逸, 邹玉莹, 邹可涵, 邹笑阳, 薛嘉琦, 李晓婷, KOH Keng Huat, 王小军, 赖伟超, 胡勇, 席宁, 王峥

J Shanghai Jiaotong Univ Sci 2023, 28 (3): 289-295. DOI: 10.1007/s12204-023-2602-2

摘要（1257）

PDF（pc）（1156KB）（432）

与衰老过程有关的疾病可能导致膝关节功能失调，因此需要以可穿戴机器人护膝的形式提供膝关节援助。然而，现有的可穿戴机器人在协助老年人的日常活动中面临着力的有效传递和适应人体运动的困难。尽管软体驱动器已被广泛用于可穿戴机器人中，在便携的基础上实现快速响应和运动控制仍然是一个挑战。针对这些问题，我们提出了一个集成多传感器和直驱液压驱动系统的软体护膝机器人系统。我们在便携式液压系统中实现了可控和快速的力输出。多传感器的反馈使机器人系统能够通过人的生理信号和动作信息与人体进行协作。人类用户的测试结果验证了该膝关节机器人可以通过肌电信号触发而向膝关节提供辅助扭矩。

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37. 一种基于双螺纹斜齿轮管的新型同心圆管机器人

陈韦池, 刘浩城, 李子建, 郭靖, 翟振坤, 孟伟,

J Shanghai Jiaotong Univ Sci 2023, 28 (3): 296-306. DOI: 10.1007/s12204-023-2595-x

摘要（1303）

PDF（pc）（2087KB）（504）

鼻咽癌是一种源于鼻黏膜的恶性肿瘤，常发生在头颈部。同心管机器人可形成复杂的形状，并可到达难以触及的病灶，因此常用于微创手术。然而一些同心管机器人由于其传动设计显得笨重，本文提出了一种基于双螺纹斜齿轮管的轻型螺旋齿轮传动装置。其驱动单元的紧凑和小型化，使得这种同心管机器人比传统同心管机器人更轻巧。通过运动学分析，得到了齿轮管姿态与电机输出角的映射关系。本文对驱动机构的精度、稳定性和重复性进行了测试。实验结果表明：该系统在平移试验中的定位误差小于0.3 mm；稳定性试验中滚动角度误差小于0.6°；平移重复性试验误差小于0.005 mm。最后使用同心管机器人进行了尖端瞄准试验，验证了同心管机器人用于手术的可行性。

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38. 多结构柔性夹持器提高夹持的鲁棒性

李林霖, 高飞扬, 郑雄飞, 张黎明, 李世杰, 王赫然

J Shanghai Jiaotong Univ Sci 2023, 28 (3): 307-311. DOI: 10.1007/s12204-022-2508-4

摘要（1338）

PDF（pc）（2071KB）（315）

近年来，软体抓手因其高柔顺性在医疗康复等各个领域引起了广泛的关注。然而，传统的PneuNet仅通过包络抓取（EG）可靠地抓取中大型物体，无法实现捏取（PG）来稳定抓取小而薄的物体，这是由于EG需要大弯曲角度而PG需要相对小很多的弯曲角度。我们提出了一种多结构软体夹持器（MSSG），每个手指只有一个气路，它将近端段的PneuNet与远端段的普通软气动执行器（NSPA）相结合，这样可以在不损失EG的情况下实现PG，并且远端和近端段之间的高度差增强了PG的鲁棒性。基于MSSG的稳定性（指弯曲角度描述）和鲁棒性（拉拔力描述）对抓取进行了表征，并采用有限元方法分析了MSSG的弯曲角度和拉拔力。此外，通过实验验证了抓取性能，结果表明每指单气路的MSSG能够在不损失EG的情况下实现PG，并有效增强了PG的鲁棒性。

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39. 基于少量多核光纤光栅传感器的单孔连续体手术机器人形状感知

黎定佳1,2,3,4, 王重阳1,2,3, 郭伟5, 王志东6, 张忠涛5, 刘浩1,2,3

J Shanghai Jiaotong Univ Sci 2023, 28 (3): 312-322. DOI: 10.1007/s12204-023-2579-x

摘要（1341）

PDF（pc）（2606KB）（371）

本文提出了一种在单孔连续体手术机器人（CSR）中使用少量多核光纤光栅（FBG）传感器进行形状感知的方法。传统的方法利用正运动学模型计算单孔CSR的形状，其受到模型精度的限制。如果将FBG传感器用于形状传感，其精度将受到传感器数量的影响，特别是在长而灵活的CSR中。为了解决这一问题，提出了一种基于扩展卡尔曼滤波（EKF）的融合方法。分别使用CSR正运动学模型和FBG传感器进行形状重建，并用EKF将两个结果融合。CSR运动模型的方法采用了正运动学模型的增量形式进行形状重建，FBG传感器的方法则采用了离散弧段假设进行形状重建。融合方法可以消除运动学模型的不准确性，仅使用少量FBG传感器即可获得更精确的形状重建结果。通过不同载荷条件下多种弯曲形状的实验验证了该算法的有效性。结果表明，该方法在鲁棒性和有效性方面明显优于传统方法。

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40. 基于层次决策网络的鼻拭子采样机器人视觉定位方法

李国志a，邹水中b，丁数学a

J Shanghai Jiaotong Univ Sci 2023, 28 (3): 323-329. DOI: 10.1007/s12204-023-2581-3

摘要（1286）

PDF（pc）（743KB）（288）

本文主要研究一种用于鼻拭子机器人自动采样操作的视觉定位方法。使用机器人完成鼻拭子采样任务可以减少医务人员对新型冠状病毒病（COVID-19）患者的直接接触，从而减小COVID-19带来的负面影响，对COVID-19的检测和防疫具有重要意义。该方法根据COVID-19的传播特点使用层次决策网络来处理机器人的行为约束条件，并结合医务人员的采样动作特点设计了使用单臂机器人进行鼻拭子采样操作的视觉导航定位方法。该方法所使用的决策网络综合考虑了人工采样操作中引起潜在接触感染风险的影响因素，以尽可能降低病毒在人员之间的传播概率。进一步形成具有人工智能特征的视觉伺服控制策略，并完成稳定、安全的鼻拭子机器人采样操作。实验证明，该方法能够实现良好的机器人视觉系统的定位，可以为公共卫生防控提供必要的技术支持。

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