Applied Sciences: 机器人与自动化合集 | MDPI编辑荐读

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本期精选了六篇发表于Applied Sciences期刊 Robotics and Automation专题的文章，内容涉及空中机械手、消防机器人、数字孪生、介电弹性体驱动器、机器人导航、工业机器人等领域。

1

Cartesian Aerial Manipulator with Compliant Arm

具有柔性臂的笛卡尔型空中机械手

Alejandro Suarez et al.

https://doi.org/10.3390/app11031001

笛卡尔机械手 (左) 集成在 S550六旋翼平台 (右)。

本文介绍了一种空中操作机器人，其六旋翼配备有2-DOF (自由度) 的笛卡尔 (XY轴) 基座，能够支持集夹具与弹性线性力传感器为一体的1-DOF (自由度) 柔性关节臂。文中提出的运动学配置提高了末端执行器相对于具有旋转关节的机械臂的定位精度，每个笛卡尔位置的坐标取决于所有关节的角度。由于无需考虑自重，笛卡尔基座的使用减少了机械手的惯性和能量消耗。因此，所需的扭矩更低，从而可以使用更轻的驱动器。

机械臂具有位移和角度偏转传感器，能够对末端执行器两轴 (XZ) 上施加的交互扭矩进行评估、监测和控制。本文推导了运动学和动力学模型，并使之与旋转关节臂相比较，提出了一种用于空中机器人的力-位置控制方案。在X轴直线导轨中，还配有一个电池配重机构，以部分补偿机械手的运动。室内及室外的实验结果展示了该机器人的性能，包括物体抓取和检索、接触力控制以及抓取情况下的力监控。

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2

A Survey on Robotic Technologies for Forest Firefighting: Applying Drone Swarms to Improve Firefighters’ Efficiency and Safety

森林消防机器人技术调查：应用无人机群提高消防员的效率与安全

Juan Jesús Roldán-Gómez et al.

https://doi.org/10.3390/app11010363

无人机群应用在消防任务中的示意图。

森林消防任务包括与预防、监视和灭火相关的多项任务。本文对消防员进行全面调查，以了解他们当前在执行任务时面对的问题及潜在的技术解决方案。文章回顾了学术界和工业界为在消防任务中应用不同类型的机器人所做的努力。基于这些信息，提出无人机群在消防中综合应用的操作概念。

该系统由一组四轴飞行器组成，单独工作时，每个飞行器在仅可有效载荷内访问航点，但共同工作时，可以完成执行监视、绘图、监控等任务。本文定义了三种操作员角色，每个角色都具有不同的信息和功能访问权限，他们分别是任务指挥者、团队领导和团队成员。操作员们利用虚拟和增强现实界面直观地获取场景信息，并在任务指挥者的指挥下控制无人机群。

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3

Digital Twin for Designing and Reconfiguring Human–Robot Collaborative Assembly Lines

用于设计和重新配置人机协作装配线的数字孪生

Sotiris Makris et al.

https://doi.org/10.3390/app11104620

基于数字孪生重新配置概念 (示意图)。

本文讨论了一种基于数字孪生的，用于设计和重设柔性装配系统的方法。数字孪生允许在不同级别对生产系统的参数进行建模，这些级别包括装配过程级、生产站级和生产线级。此方法能够在运行时动态更新数字孪生，综合来自多个 2D-3D 传感器的数据，以获得有关实际生产过程的最新信息。

文中提出的模型集成了几何信息和语义，可以与人工智能逻辑结合使用，以推导出生产系统的替代配置。通过对汽车行业一个案例的研究，讨论了总体方法。案例研究介绍了一个集成了人工和自主移动双臂机器人的生产系统。

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4

Dielectric Elastomer Actuator for Soft Robotics Applications and Challenges

介电弹性体驱动器在软机器人中的应用及挑战

Ki-Uk Kyung et al.

https://doi.org/10.3390/app10020640

基于介电弹性体 (DEMES) 最小能量结构的介电弹性 (DE) 夹持装置示意图：(a) 介电弹性体DEMES的制造和工作机制；(b) 使用介电弹性体 (DEMES) 夹具抓取物体；(c) 多段介电弹性体 (DEMES) 夹持装置；(d) 可进行拱形弯曲的多段介电弹性体 (DEMES) 夹持装置。

本文探讨了最先进的介电弹性体驱动器 (DEA) 及其作为软执行器的未来前景。近年来，软执行器被认为是软机器人的关键发电组件。文章首先讲述了介电弹性体驱动器的工作原理。由于DEA的运行需考虑到机械粘弹性及介电特性等物理性质，在介绍应用之前还描述了DEA的理论建模方法。

此外，文中还讨论了基于DEA的人造肌肉设计。文章回顾了DEA应用的四个热门议题：软机器人手、运动机器人、可穿戴设备以及可调谐光学组件。结论部分阐述了其他潜在的应用与具有挑战性的问题。

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5

Semantic Information for Robot Navigation: A Survey

一项关于语义信息用于机器人导航的调查

Jonathan Crespo et al.

https://doi.org/10.3390/app10020497

增强导航图示以及映射级别之间的关系。

机器人技术在实现基于人类心理学的行为机制方面呈增长趋势，例如与思维相关的过程。语义知识为机器人导航开辟了新路径，使其能在信息表示中进行更高级别的抽象。早年间，导航依赖于利用几何导航器将环境阐释为一系列可访问区域推动了图片理论的应用。而现在，语义信息使机器人导航又向前迈进了一步。本文研究了如何将语义信息应用到机器人导航系统的相关概念、方法以及技术。

在与用户的交互中，所涉及的技术需处理一系列任务，包括对环境建模和构建语义图，以及学习新概念和对新知识的表示。在高级导航的实现中，对环境的感知相当重要。因此，本文回顾了语义信息的获取技术，主要关注在人工辅助技术和自主技术两点。文章进一步研究了一些最先进的语义知识表示，包括本体、认知图以及语义图。由此引出了语义导航的新概念，其综合了以往的主题，生成了能够处理现实世界复杂情况的高级导航系统。

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6

Modeling and Identification of an Industrial Robot with a Selective Modal Approach

用选择性模态方法对工业机器人进行建模和识别

Silvio Cocuzza et al.

https://doi.org/10.3390/app10134619

标有测试轴的工业机器人Adept Viper s650。

在诸多工业应用中，工业机器人的刚度特性都是一个尤为重要的指标。比如自动机器人的组装过程，或是机加工和去毛刺等材料去除过程。在机器人组装过程中，关节柔度可用于补偿待装配零件的尺寸误差。在材料去除过程中，末端执行器需具备高笛卡尔刚度。使用低刚度机器人往往会引起低频颤振，从而影响加工表面的质量。

本文提出了一种工业机器人柔性关节的动力学模型，并使用模态方法用实验确定了关节刚度。首先开发出一种选择测试配置的新方法，使得每个配置的振动模式只激发一个关节。然后在选定的配置中进行实验测试，以确定关节刚度。最后，利用得出的机器人动力学模型来预测工作空间内固有频率的变化。

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Applied Sciences期刊介绍

主编：Takayoshi Kobayashi, The University of Electro-Communications, Japan

期刊主题涵盖应用物理学、应用化学、工程、环境和地球科学以及应用生物学的各个方面。

2020 Impact Factor	2.679
2020 CiteScore	3.0
MPT	35
APT	39

*MPT: Median Publication Time; APT: Average Publication Time

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