上海大學(xué)王向達(dá)和上海海事大學(xué)黃宏偉、符林軍、何昂團(tuán)隊(duì)合作開發(fā)柔性機(jī)械臂算法

近日，上海大學(xué)機(jī)械與自動(dòng)化學(xué)院王向達(dá)和上海海事大學(xué)人工智能學(xué)生黃宏偉、符林軍、何昂等團(tuán)隊(duì)成員合作開發(fā)了一種智能化仿生柔性機(jī)械臂算法，同時(shí)加入了運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償算法，為其適配于船舶海洋工程或類似搖晃的平面工作提出了新的想法，采用基于采樣的路徑規(guī)劃算法RRT*，根據(jù)刨面程度結(jié)合自適應(yīng)控制策略IRDF+，這一成果也投稿在行業(yè)頂刊IEEE Robotics and Automation Letters（RAL）中（doi:10.1509/LRA.2024）。

該模型設(shè)計(jì)巧妙融合了長(zhǎng)短期記憶網(wǎng)絡(luò)（LSTM）與門控循環(huán)單元（GRU）的特性，旨在優(yōu)化對(duì)時(shí)間序列數(shù)據(jù)的處理能力。首先，利用LSTM層的強(qiáng)大能力，模型深入挖掘并提取輸入數(shù)據(jù)中的長(zhǎng)期依賴關(guān)系，這些關(guān)系往往隱藏在數(shù)據(jù)的歷史脈絡(luò)之中，對(duì)于預(yù)測(cè)未來趨勢(shì)至關(guān)重要。隨后，將LSTM層處理后的序列傳遞給GRU層，GRU以其更為簡(jiǎn)潔的結(jié)構(gòu)和高效的計(jì)算能力，專注于捕捉輸入序列中的動(dòng)態(tài)特征變化，這些特征變化可能迅速且頻繁，對(duì)于即時(shí)響應(yīng)和精細(xì)調(diào)整預(yù)測(cè)結(jié)果大有裨益。

通過這種創(chuàng)造性的結(jié)合方式，模型不僅保留了LSTM在記憶長(zhǎng)期歷史信息上的優(yōu)勢(shì)，還融入了GRU在處理動(dòng)態(tài)變化時(shí)的敏捷性，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)時(shí)間序列數(shù)據(jù)特性的全面捕捉。這樣的設(shè)計(jì)顯著提升了模型對(duì)歷史數(shù)據(jù)的記憶深度，同時(shí)增強(qiáng)了其捕捉和響應(yīng)數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)變化的能力，最終有助于提升預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性和可靠性。簡(jiǎn)而言之，就是通過“記憶與反應(yīng)”的雙重強(qiáng)化，讓模型在復(fù)雜多變的時(shí)間序列預(yù)測(cè)任務(wù)中表現(xiàn)更加出色。

變分模態(tài)分解（VMD）技術(shù)被巧妙地應(yīng)用于處理船舶橫搖這類非平穩(wěn)數(shù)據(jù)，它像一把精細(xì)的手術(shù)刀，將復(fù)雜的數(shù)據(jù)切割成多個(gè)更為平滑、易于分析的分量。隨后，這些分量成為了GRU-LSTM模型的“營養(yǎng)餐”，該模型憑借其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)，在捕捉這些分量中的隱藏模式方面表現(xiàn)出色，盡管在直接預(yù)測(cè)時(shí)仍存在一定的誤差。

為了跨越這一精度瓶頸，研究團(tuán)隊(duì)引入了誤差校正模型這一“秘密武器”。這個(gè)模型就像是一個(gè)精準(zhǔn)的校準(zhǔn)器，專門負(fù)責(zé)識(shí)別并修正GRU-LSTM模型預(yù)測(cè)中的偏差。通過專注于誤差的預(yù)測(cè)與補(bǔ)償，它有效地提升了整體預(yù)測(cè)系統(tǒng)的精準(zhǔn)度，使得預(yù)測(cè)結(jié)果更加貼近真實(shí)情況，仿佛為預(yù)測(cè)過程加上了一層“保險(xiǎn)”。

王向達(dá)，上海大學(xué)學(xué)生，上海馬可提姆信息科技有限公司監(jiān)事，專業(yè)績(jī)點(diǎn)排名名列前茅，對(duì)待科研也有自己的創(chuàng)新型想法和思路，負(fù)責(zé)算法總體設(shè)計(jì)、模型訓(xùn)練、魯棒控制，擁有豐富的科創(chuàng)和科研經(jīng)歷。

黃宏偉，上海海事大學(xué)學(xué)生，2024年暑期才加入實(shí)驗(yàn)室，并跟隨王向達(dá)團(tuán)隊(duì)進(jìn)行機(jī)械臂算法的研發(fā)，同時(shí)是上海馬可提姆信息科技有限公司科教副總裁、團(tuán)隊(duì)的創(chuàng)始人、智航項(xiàng)目的聯(lián)合創(chuàng)始人，也是經(jīng)驗(yàn)豐富的項(xiàng)目組長(zhǎng)，同時(shí)，他也是IEEE/IET/CAAI的學(xué)生會(huì)員。在學(xué)術(shù)領(lǐng)域，黃宏偉曾作為第一作者于AIST發(fā)表國際頂級(jí)論文，曾獲得比利時(shí)安特衛(wèi)普最佳論文獎(jiǎng)提名的殊榮，還擁有“浪航倉守”的國家著作權(quán)，登記號(hào)：國作登字-2024-F-00170282；在比賽榮譽(yù)方面，最近，黃宏偉參加了大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目，該項(xiàng)目獲得了國際級(jí)和市級(jí)立項(xiàng)，黃宏偉、符林軍和團(tuán)隊(duì)在大賽期間共同完成了清艙機(jī)器人的制作，在比賽上大放光彩；在專利方面，黃宏偉已經(jīng)申請(qǐng)了兩項(xiàng)國家專利，其中一項(xiàng)是發(fā)明專利，負(fù)責(zé)團(tuán)隊(duì)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集。

符林軍，上海海事大學(xué)的學(xué)生，智航凈潔者項(xiàng)目的聯(lián)合創(chuàng)始人、負(fù)責(zé)人，作為隊(duì)長(zhǎng)或成員參加過多個(gè)科創(chuàng)項(xiàng)目，同時(shí)獲得保研資格，曾在國際頂級(jí)期刊《energy》上發(fā)文（SCI一區(qū)top，IF=9），同時(shí)也獲得過多個(gè)A類賽國家級(jí)獎(jiǎng)項(xiàng)，申請(qǐng)專利三項(xiàng)，發(fā)表論文三篇（兩篇SCI），軟著下載一項(xiàng)，獲國家勵(lì)志獎(jiǎng)學(xué)金和校特等獎(jiǎng)學(xué)金，國家獎(jiǎng)項(xiàng)3項(xiàng)，市級(jí)獎(jiǎng)項(xiàng)5項(xiàng)，主持國家級(jí)項(xiàng)目一項(xiàng)。。

何昂也是上海海事大學(xué)人工智能專業(yè)的學(xué)生，同時(shí)是上海馬可提姆信息公司的執(zhí)行董事、科教總裁、法人，歷任大型集團(tuán)董事長(zhǎng)助理等職務(wù)，獲得過多個(gè)大學(xué)生機(jī)器人大賽國家級(jí)獎(jiǎng)項(xiàng)，發(fā)表過機(jī)器人頂會(huì)ICCA論文，主持、參與國家級(jí)大創(chuàng)項(xiàng)目?jī)身?xiàng)，發(fā)表、授權(quán)專利四項(xiàng)，未來可能負(fù)責(zé)機(jī)械臂的商業(yè)應(yīng)用推廣和轉(zhuǎn)化等。

網(wǎng)絡(luò)工程的解志鵬、劉鵬等同學(xué)也參與到團(tuán)隊(duì)工作，負(fù)責(zé)機(jī)器人組網(wǎng)通信。解志鵬曾發(fā)表IEEE匯刊級(jí)（trans）論文兩篇，獲得保研資格，參加團(tuán)隊(duì)獲得大創(chuàng)項(xiàng)目國家級(jí)立項(xiàng)，中國國際“互聯(lián)網(wǎng)+ 上海賽區(qū)銅獎(jiǎng)、市級(jí)獎(jiǎng)項(xiàng)、校級(jí)獎(jiǎng)項(xiàng)等多項(xiàng)榮譽(yù)。未來可能會(huì)繼續(xù)開展這方面的研究。

機(jī)械臂算法未來將會(huì)應(yīng)用于機(jī)器人身上，更好地為船舶清艙業(yè)服務(wù)，提供新的想法和思路。

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