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　　上海交通大學(xué)的科研團(tuán)隊(duì)圍繞輪式移動(dòng)系統(tǒng)開展系統(tǒng)研究，針對(duì)崎嶇地形翻越、垂立壁面爬升、地面全向移動(dòng)等場(chǎng)景要求，提出了三模式變形輪、磁吸附輪、變參數(shù)全向輪等 3 類新型結(jié)構(gòu)輪，及相應(yīng)的輪式移動(dòng)平臺(tái)方案；中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院的科研團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種具有壁面自適應(yīng)能力的磁吸附爬壁機(jī)器人，為船舶貨艙清洗過程中多壁面過渡問題提供了解決方案；中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院與日本國(guó)立電氣通信大學(xué)聯(lián)合組成的科研團(tuán)隊(duì)在分析人手  16  種日常抓取動(dòng)作功能性歸類的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種新型假肢手結(jié)構(gòu)，僅用 3 個(gè)電機(jī)實(shí)現(xiàn) 11 種假肢手動(dòng)作，有效克服動(dòng)作多和輕量化的矛盾；華南理工大學(xué)的科研團(tuán)隊(duì)[4]基于主動(dòng)加被動(dòng)的仿生推進(jìn)原理設(shè)計(jì)了兩段主動(dòng)剛體與兩段被動(dòng)順從體相結(jié)合的新型欠驅(qū)動(dòng)仿生機(jī)器鰻魚，提出基于深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)算法的機(jī)器鰻魚控制方法；上海宇航系統(tǒng)工程研究所領(lǐng)頭的科研團(tuán)隊(duì)針對(duì)空間直立桁架結(jié)構(gòu)的人-機(jī)協(xié)作裝配任務(wù)，基于機(jī)構(gòu)學(xué)原理進(jìn)行桁架模塊單元構(gòu)型、桁架裝配過程數(shù)學(xué)建模以及人-機(jī)協(xié)作的裝配任務(wù)規(guī)劃，為空間大型設(shè)施在軌構(gòu)建提供技術(shù)原理支撐。上述工作將在本期刊出。 

　　下一期將刊出文章分別介紹清華大學(xué)、俄亥俄州立大學(xué)、北京交通大學(xué)以及上海交通大學(xué)的科研團(tuán)隊(duì)的相關(guān)研究進(jìn)展以及研究評(píng)述與展望，涉及變剛度機(jī)構(gòu)、機(jī)構(gòu)與藝術(shù)協(xié)同創(chuàng)新、機(jī)構(gòu)創(chuàng)新促進(jìn)新裝備研發(fā)等主題。 

　　此外，本期也收錄了《生物醫(yī)藥與生物醫(yī)學(xué)工程》、《電子信息》領(lǐng)域的三篇文章。歡迎關(guān)注。 

圖：《集成技術(shù)》2022年第4期封面

　　● 客座編輯 

　　郭為忠教授 

　　上海交通大學(xué)  

　　郭為忠，上海交通大學(xué)長(zhǎng)聘教授，博士生導(dǎo)師。擔(dān)任 IFToMM(國(guó)際機(jī)構(gòu)學(xué)與機(jī)器科學(xué)聯(lián)合會(huì))中國(guó)委員會(huì)副主席，IFToMM  常設(shè)教育委員會(huì)委員，Mechanism  and  Machine  Theory  副編輯，《機(jī)械設(shè)計(jì)與研究》期刊副主編。從事機(jī)構(gòu)與機(jī)器人學(xué)、并聯(lián)機(jī)器人和重大裝備創(chuàng)新設(shè)計(jì)等研究與教學(xué)工作，先后主持承擔(dān)國(guó)家自然科學(xué)基金青年/面上/重點(diǎn)項(xiàng)目、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、國(guó)家  863  計(jì)劃課題、國(guó)家科技重大專項(xiàng)課題、航空航天科研院所及企業(yè)攻關(guān)項(xiàng)目等  30  余項(xiàng)；發(fā)表  SCI/EI  期刊論文  100  余篇；獲國(guó)家發(fā)明專利授權(quán) 50  余項(xiàng)，軟件著作權(quán)登記  6  項(xiàng)；獲省部級(jí)一等獎(jiǎng)  5  項(xiàng)、“中國(guó)好設(shè)計(jì)”創(chuàng)意獎(jiǎng)  2  項(xiàng)；獲  IFToMM  世界大會(huì)最佳論文提名獎(jiǎng)、《機(jī)械工程學(xué)報(bào)》期刊創(chuàng)刊 60 周年優(yōu)秀論文獎(jiǎng)和首屆高影響力論文獎(jiǎng)等。

　　何凱  

　　正高級(jí)工程師 

　　中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院 

　　何凱，博士，正高級(jí)工程師，博士研究生導(dǎo)師，中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院集成所精密工程研究中心主任，中國(guó)科學(xué)院關(guān)鍵技術(shù)人才。主要研究方向?yàn)榫苤圃旒白詣?dòng)化技術(shù)、工業(yè)/特種機(jī)器人、生物制造自動(dòng)化技術(shù)、金屬成形技術(shù)及裝備等。累計(jì)發(fā)表論文  120  余篇；申請(qǐng)各類專利  140  余件，已授權(quán)專利  90  余件，其中發(fā)明專利授權(quán) 50  件，國(guó)外專利授權(quán) 2  件。主持國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃，多項(xiàng)工業(yè)和信息化部、中國(guó)科學(xué)院、廣東省、深圳市科技項(xiàng)目，以及企業(yè)委托開發(fā)項(xiàng)目。擔(dān)任《集成技術(shù)》期刊編委、《合成生物學(xué)》期刊編委，深圳市人工智能學(xué)會(huì)理事。 

　　●序言：機(jī)構(gòu)與機(jī)器人學(xué)——現(xiàn)代機(jī)器與裝備的創(chuàng)新利器 

　　鏈接：https://jcjs.siat.ac.cn/jcjs/article/abstract/202204000 

　　●輪式機(jī)器人：創(chuàng)新設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究

　　鏈接：https://jcjs.siat.ac.cn/jcjs/article/abstract/202204001

　　摘要：輪子是人類的一項(xiàng)偉大發(fā)明，輪式移動(dòng)系統(tǒng)為人類的生產(chǎn)和生活帶來(lái)了極大便利，機(jī)器人采用輪式移動(dòng)系統(tǒng)是一個(gè)十分重要的發(fā)展方向。為克服普通輪子對(duì)復(fù)雜地形適應(yīng)性不足的問題，研究者們?cè)谳喿优c行駛表面的吸附方式、輪子自身的幾何形態(tài)、行駛過程中的轉(zhuǎn)向方式等方面進(jìn)行了探索。在輪子將滑動(dòng)摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)闈L動(dòng)摩擦這一移動(dòng)機(jī)理的基礎(chǔ)上，針對(duì)崎嶇地形翻越、垂立壁面爬升、地面全向移動(dòng)等場(chǎng)景要求，該文提出了三模式變形輪、磁吸附輪、變參數(shù)全向輪等  3  類新型輪子結(jié)構(gòu)，及其相應(yīng)的輪式移動(dòng)結(jié)構(gòu)；通過連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了三模式變形輪在圓輪模式、爪模式、勾模式之間的切換和機(jī)器人的雙向越障；通過磁吸附輪結(jié)構(gòu)和被動(dòng)三自由度懸架，使全部輪子始終貼合壁面，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人的壁面行駛；通過空間機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)輥?zhàn)影惭b角參數(shù)，使輪子摩擦力方向受控，保障了機(jī)器人的全向行駛；通過樣機(jī)搭建和實(shí)驗(yàn)研究，驗(yàn)證了該文所提創(chuàng)新設(shè)計(jì)的可行性。 

　　●具有壁面自適應(yīng)能力的磁吸附爬壁機(jī)器人設(shè)計(jì) 

　　鏈接：https://jcjs.siat.ac.cn/jcjs/article/abstract/202204002 

　　摘要：為解決爬壁機(jī)器人在船舶貨艙清洗過程中多壁面過渡的問題，該文設(shè)計(jì)了一種具有壁面自適應(yīng)能力的磁吸附爬壁機(jī)器人，其包括磁吸附機(jī)構(gòu)、自適應(yīng)清洗機(jī)構(gòu)和行走機(jī)構(gòu)。該文首先通過建立機(jī)器人壁面過渡時(shí)的力學(xué)模型，得到機(jī)器人磁吸附力的分布特點(diǎn)，并據(jù)此設(shè)計(jì)出一種弧形磁吸附機(jī)構(gòu)。然后利用 ANSYS Maxwell 3D 軟件對(duì)該機(jī)構(gòu)磁吸附力的分布進(jìn)行優(yōu)化，以滿足壁面過渡的需要；此外，還在機(jī)器人前端設(shè)計(jì)了一種自適應(yīng)清洗機(jī)構(gòu)，通過對(duì)該機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)原理進(jìn)行分析和實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了清洗機(jī)構(gòu)也具有壁面過渡能力。最后通過模擬船舶貨艙壁面的實(shí)際特點(diǎn)，對(duì)機(jī)器人樣機(jī)進(jìn)行壁面過渡綜合實(shí)驗(yàn)，完成了機(jī)器人艙底過渡行走實(shí)驗(yàn)和艙頂過渡行走實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該機(jī)器人的壁面自適應(yīng)和艙內(nèi)行走的能力。 

　　● 兼顧多動(dòng)作與輕量化的仿生假肢手設(shè)計(jì)創(chuàng)成 

　　鏈接：https://jcjs.siat.ac.cn/jcjs/article/abstract/202204003 

　　摘要：假肢手的動(dòng)作數(shù)量與輕量化之間存在矛盾關(guān)系，為兼顧兩者之間的平衡，滿足假肢手多動(dòng)作和輕量化的要求，該研究通過分析人手的16種日常抓取動(dòng)作，設(shè)計(jì)了一種合理的電機(jī)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)在四指中應(yīng)用了多關(guān)節(jié)同時(shí)屈曲傳動(dòng)，在拇指中應(yīng)用了定軌跡適應(yīng)性傳動(dòng)，掌骨使用可自動(dòng)切換為弧面和平面的對(duì)稱彈性串聯(lián)驅(qū)動(dòng)式傳動(dòng)，以及配置五指的自動(dòng)伸展，將這些機(jī)能融合在假肢手中，僅用3個(gè)電機(jī)實(shí)現(xiàn)了11 種假肢手動(dòng)作，達(dá)到了132.1 g的輕量化設(shè)計(jì)。該文還通過肌電信號(hào)結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，實(shí)現(xiàn)了假肢手直覺控制，并驗(yàn)證了其具有良好的抓取穩(wěn)定性和操作性。 

　　● 基于深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)的欠驅(qū)動(dòng)仿生機(jī)器鰻魚控制研究 

　　鏈接：https://jcjs.siat.ac.cn/jcjs/article/abstract/202204004 

　　摘要：水下仿生機(jī)器人具有高效率、高機(jī)動(dòng)性、低噪聲等優(yōu)點(diǎn)，針對(duì)仿生機(jī)器鰻魚存在設(shè)計(jì)復(fù)雜、控制難度大等問題，該文提出了一種新型欠驅(qū)動(dòng)機(jī)器鰻魚的控制方法。首先，基于主動(dòng)加被動(dòng)的仿生機(jī)構(gòu)推進(jìn)原理，設(shè)計(jì)了兩段主動(dòng)體與兩段被動(dòng)順從體相結(jié)合的機(jī)器鰻魚仿生機(jī)構(gòu)；然后，在仿真環(huán)境中進(jìn)行建模，利用深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)算法進(jìn)行數(shù)據(jù)收集和訓(xùn)練，選擇表現(xiàn)良好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在仿真環(huán)境中進(jìn)行控制測(cè)試，從而得到機(jī)器鰻魚的控制函數(shù)；最后，通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該文設(shè)計(jì)方法的可行性以及控制函數(shù)的有效性，實(shí)現(xiàn)了對(duì)機(jī)器鰻魚的控制。 

　　● 空間桁架的人-機(jī)協(xié)作裝配規(guī)劃與試驗(yàn)驗(yàn)證 

　　鏈接：https://jcjs.siat.ac.cn/jcjs/article/abstract/202204005 

　　摘要：該文以空間直立桁架結(jié)構(gòu)的人-機(jī)協(xié)作裝配流程為研究對(duì)象，提出一種適用于徑向快裝桁架模塊單元的創(chuàng)新構(gòu)型，建立了基于狀態(tài)矩陣和鄰接矩陣的桁架結(jié)構(gòu)裝配序列、裝配模式和裝配過程的數(shù)學(xué)模型。該文還對(duì)空間環(huán)境下桁架裝配的人-機(jī)能力約束進(jìn)行分析，提出基于動(dòng)素分析的裝配任務(wù)層級(jí)化分解方法，利用比較分配原則制定了適用編程的人-機(jī)協(xié)作裝配任務(wù)流程和分配方案?；谒岢龇桨?，通過開展人穿戴模擬宇航服與機(jī)械臂協(xié)作裝配  5  m  長(zhǎng)直立桁架結(jié)構(gòu)的地面演示試驗(yàn)，驗(yàn)證了該方案的合理性和組裝流程的可行性，為空間大型設(shè)施在軌構(gòu)建提供了技術(shù)原理支撐。 

　　專欄：生物醫(yī)藥與生物醫(yī)學(xué)工程 

　　● 三種近交系小鼠自發(fā)行為圖譜的構(gòu)建與比較 

　　鏈接：https://jcjs.siat.ac.cn/jcjs/article/abstract/202204006 

　　摘要：小鼠被廣泛應(yīng)用于各類生理、病理和行為學(xué)實(shí)驗(yàn)。不同基因型小鼠的自發(fā)行為差異對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和結(jié)果的影響尚未明確。該文選擇目前常用的  3  種近交品系小鼠  C57BL/6J、C57BL/6N、BALB/c(簡(jiǎn)稱  6J、6N、BC)，利用基于層次化三維動(dòng)物行為特征的無(wú)監(jiān)督學(xué)習(xí)框架，對(duì)其自發(fā)行為進(jìn)行了客觀評(píng)估。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基因型顯著影響小鼠的自發(fā)行為，影響因素造成的差異強(qiáng)度為：遠(yuǎn)基因型＞近基因型＞雌雄對(duì)照。具體表現(xiàn)為，BC  與  6J  和  6N  的體態(tài)明顯不同，且在“抬頭”“梳理”“跑”3  種運(yùn)動(dòng)模式上，BC 行為明顯異于 6J 和 6N。6J 和 6N 的行為譜雖較為類似，但 6N 的嗅探行為明顯多于 6J。該研究結(jié)果可作為小鼠模型實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、品系選擇和樣本量確定的參考。 

　　專欄：電子信息 

　　● 基于三維視覺的機(jī)器人安全預(yù)警系統(tǒng) 

　　鏈接：https://jcjs.siat.ac.cn/jcjs/article/abstract/202204007 

　　摘要：在許多自動(dòng)化應(yīng)用場(chǎng)景中，如裝配和分揀過程中，工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用是提高生產(chǎn)質(zhì)量和生產(chǎn)效率的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。在機(jī)器人工作過程中，保證機(jī)器人和工人工作的安全，是推動(dòng)機(jī)器人應(yīng)用和發(fā)展的首要前提。該文提出一種基于三維視覺的機(jī)器人安全預(yù)警系統(tǒng)。首先，該系統(tǒng)利用三維相機(jī)對(duì)監(jiān)控場(chǎng)景進(jìn)行高精度三維重建，并將多個(gè)點(diǎn)云進(jìn)行融合;然后，提取人體關(guān)鍵點(diǎn)，并根據(jù)三維人體關(guān)鍵點(diǎn)判斷人與機(jī)械臂的安全距離;最后，計(jì)算判斷人體與機(jī)器人是否處于設(shè)定的安全距離范圍，并據(jù)此控制機(jī)械臂的工作狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該文所開發(fā)的安全預(yù)警系統(tǒng)能保障大視野范圍內(nèi)的人員安全 

　　● 基于拓?fù)浞蔷€性動(dòng)態(tài)建模的神經(jīng)退行性疾病異常步態(tài)識(shí)別 

　　鏈接：https://jcjs.siat.ac.cn/jcjs/article/abstract/202204008 

　　摘要：通過對(duì)步態(tài)節(jié)律變化的觀察，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)人體復(fù)雜系統(tǒng)的觀測(cè)，在行走過程中，步幅間隔時(shí)間序列的動(dòng)態(tài)特性，能有效反映人體系統(tǒng)的狀態(tài)變化，可用于步態(tài)異常檢測(cè)及相關(guān)疾病辨識(shí)。人體步態(tài)傳感信息的時(shí)間序列相空間重建，是一種有效表征系統(tǒng)非線性動(dòng)力學(xué)特性的建模方法。相空間的幾何建模和統(tǒng)計(jì)分析，是異常步態(tài)識(shí)別典型的分析方法，被廣泛應(yīng)用于神經(jīng)退行性疾病檢測(cè)等臨床研究中。該文從空間拓?fù)涮匦苑治龅慕嵌瘸霭l(fā)，提出一種基于拓?fù)浞蔷€性動(dòng)態(tài)建模的分析方法，用于神經(jīng)退行性疾病的異常步態(tài)識(shí)別。該文首先采用延時(shí)嵌入的相空間重構(gòu)方法，將步態(tài)的波動(dòng)時(shí)間序列轉(zhuǎn)化為抽象相空間的狀態(tài)點(diǎn)云；其次，采用基于計(jì)算拓?fù)渲械某掷m(xù)同調(diào)工具，提取狀態(tài)點(diǎn)云所在空間的拓?fù)涿枋鲂畔?；再次，采用基于拓?fù)涿枋龅某掷m(xù)態(tài)勢(shì)圖，構(gòu)建時(shí)間序列的拓?fù)浞蔷€性動(dòng)態(tài)特征；最后，融合步態(tài)周期中左右足的步幅間隔、站立間隔、擺動(dòng)間隔時(shí)間序列的拓?fù)浞蔷€性動(dòng)態(tài)特征，作為分類器輸入，構(gòu)建出異常步態(tài)的機(jī)器學(xué)習(xí)識(shí)別模型。對(duì)患有肌硬化癥、亨廷頓病和帕金森病的神經(jīng)退行性疾病患者，進(jìn)行  5  min  異常步態(tài)的連續(xù)行走數(shù)據(jù)(50  步滑動(dòng)窗數(shù)據(jù))測(cè)試，步態(tài)識(shí)別的準(zhǔn)確率分別為 0.875 0(0.914 6)、0.940 6(0.962 3) 和 0.958 3(0.961 4)。因此，拓?fù)浞蔷€性動(dòng)態(tài)建模分析是一種有效的神經(jīng)退行性疾病異常步態(tài)檢測(cè)方法，為基于步態(tài)分析的神經(jīng)退行性疾病檢測(cè)和可穿戴數(shù)據(jù)分析提供了一種新的思路。 

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