刘阳科研成果

基本信息 研究方向 研究成果 学生培养 论文专著 新建主栏目 个人简介 名称 刘阳，男，1990年生。机电工程学院机器人研究所教师，副教授，硕士生导师，机器人技术与系统全国重点实验室固定人员。 主要研究方向为空间机器人建模与视觉感知，承担包含国自然青年基金、中国博士后特别资助/面上基金、省博士后面上基金等各类项目8项，入选青年人才托举工程，获评黑龙江省D类高层次人才。 空间机器人实验室情况可参见实验室主任赵京东老师个人主页。 学习经历 名称 时间 学位 学校 专业 导师 2020.12—至今 博后 哈尔滨工业大学 航空宇航科学与技术 高海波 2015.09—2020.10 博士 哈尔滨工业大学 机械电子工程 刘宏 2013.09—2015.06 硕士 哈尔滨工业大学 机械工程 刘宏 2009.09—2013.06 学士 哈尔滨工业大学 机械设计制造及其自动化 彭高亮 工作经历 名称 时间 职务 学校 工作单位 2024.01-至今 副教授 哈尔滨工业大学 机电工程学院 2023.11-至今. 兼职辅导员 哈尔滨工业大学 机电工程学院 2021.12-2023.12 助理教授 哈尔滨工业大学 机电工程学院 2020.12-2021.11 助理研究员 哈尔滨工业大学 机电工程学院 2011.09-2013.06 朋辈辅导员 哈尔滨工业大学 机电工程学院 荣誉称号 名称 年度 类型 2023 问天舱机械臂团队荣获第27届“中国青年五四奖章集体” 2023 黑龙江省D类高层次人才 2023 第五届中国研究生机器人创新设计大赛优秀指导老师 2022 问天舱机械臂团队荣获“感动龙江”年度人物（群体） 2022 谢宗武团队荣获哈工大重大工程型号任务突出贡献奖 2022 入选青年人才托举计划 2020 哈尔滨工业大学“优秀毕业生” 2019 哈尔滨工业大学“优秀学生” 2019 德昌电机奖学金 2016 哈尔滨工业大学“三好学生” 2015 哈尔滨工业大学“优秀研究生骨干” 2015 哈尔滨工业大学“优秀硕士研究生” 2015 “金牌”毕业论文 2014 航天创意杯飞行器设计创新大赛全国一等奖 2014 研究生国家奖学金 2012 大学生创新性实验计划项目一等奖 2012 第五届全国大学生机械创新设计大赛二等奖 2012 全美数学建模竞赛二等奖 2011 黑龙江省首届知识产权杯高校发明创新竞赛 2011 联盟杯仿生机器人大赛一等奖 2010 哈尔滨工业大学社会实践先进个人 2010 哈尔滨工业大学“三好学生” 问天舱机械臂 名称 担任问天舱机械臂任务规划岗负责人，负责任务前的机械臂路径规划、任务中的机械臂工作状态监视以及任务后的飞控任务总结。自2022年7月机械臂发射入轨以来，圆满完成各类在轨任务几十次，助力中国空间站实现多个首次。问天舱机械臂部分在轨任务执行情况如下： n 神十七第二次出舱 经过约8小时的出舱活动，神舟十七号航天员汤洪波、唐胜杰、江新林密切协同，在空间站机械臂和地面科研人员的配合支持下，完成了天和核心舱太阳翼维修工作，消除了前期因太空微小颗粒撞击产生的影响。这是我国航天员首次完成在轨航天器舱外设施的维修任务。出舱活动期间，航天员还对空间站舱体状态进行了巡检。 n 神十七第一次出舱 经过约7.5小时的出舱活动，神舟十七号航天员汤洪波、唐胜杰、江新林密切协同，在空间站机械臂和地面科研人员的配合支持下，完成了天和核心舱太阳翼修复试验等既定任务 n 神十六第一次出舱 在空间站机械臂支持下，完成了核心舱全景相机B在轨支架安装及抬升、梦天舱全景相机A和B解锁及抬升等任务，完成出舱活动全部既定任务，出舱活动取得圆满成功。 n 辐射生物学载荷 2023年6月9日至10日，在机械臂的支持下，空间辐射生物学暴露实验装置（以下简称空间辐射生物学装置）出舱成功，已经开展实验。这是我国首次开展舱外辐射生物学暴露实验，对辐射生物学和空间科学研究具有里程碑式的意义。2023年9月13日至14日，空间辐射生物学装置回舱，航天员从空间辐射生物学暴露实验装置取下生物样品，并经由神舟十六号载人飞船返回地面。2023年9月16日至17日，空间辐射生物学装置再次顺利出舱，安装在暴露平台，循环往复开展剩余样品更长时间的暴露实验。 n 电推气瓶 在天地协同配合下，由机械臂抓取并将其转移、对接到安装位，首次采用“换气”而非“补气”的方式完成电推进剂补加，对空间站长期轨道维持和安全平稳飞行起到重要作用。 n 空间站慢直播 中国空间站首次慢直播于2023年4月24日上线，在第八个中国航天日之际，通过约4小时的直播画面向大家展示了机械臂第一视角下的中国空间站，400公里高度轨道俯瞰地球的景观，以及航天员舱内工作的实时场景。 n 神十五第四次出舱 在机械臂支持和舱内航天员邓清明的密切配合下，两名出舱航天员费俊龙、张陆圆满完成全部既定工作任务，安全返回问天实验舱。 n 神十五第三次出舱 在机械臂支持和舱内航天员邓清明的密切配合下，两名出舱航天员费俊龙、张陆圆满完成全部既定工作任务，安全返回问天实验舱。 n 材料舱外暴露载荷 2024年3月14日，在地面科技人员的密切协同下，中国空间站材料舱外暴露实验装置及样品组合体由空间站机械臂成功转移至空间站气闸舱内。 材料舱外暴露实验装置于2023年3月8日出舱，由机械臂安装至预定暴露平台，包含400余个材料样品，分为非金属和金属两类。 n 神十五第二次出舱 在机械臂支持和舱内航天员邓清明的密切配合下，两名出舱航天员费俊龙、张陆圆满完成全部既定工作任务，安全返回问天实验舱。 n 神十五第一次出舱 经过约7小时的出舱活动，神舟十五号航天员经机械臂协同配合，完成了梦天舱外扩展泵组安装等任务，全过程顺利圆满。这是中国空间站全面建成后航天员首次出舱活动。 n 等离子体原位成像探测器 在机械臂支持下，空间站问天舱载荷等离子体原位成像探测器到达目标位置，成功完成舱外安装，伸杆展开正常，高压加载正常，载荷工作正常，将开启10年在轨探测任务。 n 能量粒子载荷 中国空间站问天实验舱能量粒子探测器由航天员完成舱内组装后，经机械臂抓取从货物气闸舱出舱，并安装至既定的舱外暴露平台。这是空间站标准载荷首次出舱成功。 n 微小卫星释放测试 2023年1月2日—1月4日，开展微小飞行器释放功能联合测试，机械臂抓捕并运动至预定释放位置后进行微小卫星释放，功能测试结果正常，满足指标要求。 n 梦天舱在轨测试 2022年11月19日—24日，梦天实验舱完成了机械臂适配器遍历测试、机械臂爬行测试及机械臂巡检，并对小臂靶标进行了在轨标定。 n 神十四第三次出舱 本次任务中，大、小机械臂首次联手，形成组合机械臂，全力支撑出舱任务顺利实施。大臂加小臂，使组合机械臂的覆盖半径大为扩展；同时自由度达到了14个，工作起来更加灵活。长度增加和自由度提高对组合臂的安全性和可靠性提出了更高的要求。机械臂研制团队充分论证、反复试验，确保了组合机械臂的安全可靠，为舱外载荷照料和航天员出舱等任务提供了更强保障。这是空间站T字基本构型组装完成后的首次航天员出舱活动，首次检验了航天员与组合机械臂协同工作的能力。 n 神十四第二次出舱 先后完成了舱外助力手柄安装、载荷回路扩展泵组安装、舱外救援验证等任务，全过程顺利圆满，进一步检验了航天员与小机械臂协同工作的能力。机械臂操控的精准性得到航天员刘洋称赞：“小机械臂动作精准，无需微调”。 n 组合臂级联测试 中国空间站大机械臂与小机械臂完成级联测试，大机械臂长约10米，小机械臂长约5米，级联后的组合体活动范围大大增加。在未来空间站应用中，机械臂组合体可以进行空间站舱段间大范围转移、舱段巡检、物品搬运等工作。 n 神十四第一次出舱 航天员首次从问天实验舱气闸舱出舱、由小机械臂辅助实施的出舱活动。航天员出舱活动期间，天地间周密协同、舱内外密切配合，先后完成了问天舱扩展泵组安装、问天舱全景相机抬升、舱外自主应急返回验证等任务，全过程顺利圆满，检验了航天员与小机械臂协同工作的能力。 n 问天舱在轨测试 安装在问天实验舱舱外的小机械臂在地面人员的支持下顺利完成了在轨测试。小机械臂首先脱离基座，进行舱壁爬行测试，它对接了舱壁其他小机械臂适配器，完成了靶向标定测试。 学生信息 名称 每年招生2~3名本科毕设，2~3名硕士研究生，协助培养1名博士研究生。 年级 姓名 状态 毕业课题 毕业去向 简介 2024硕 姜智多 待入学 / / / 课程教学 名称 课程编号：ME32517 课程名称：工业机器人设计与应用 英文名称：Design and Application of Industrial Robot 课程学时：32 课程学分：2.0学分 开课单位：机电工程学院机器人研究所 开课学期：大三下学期 班级建设 名称 一、智能装备与先进材料集群21L0307班班主任 荣获“优秀团支部”荣誉称号，被评为“基础学部优秀学风班”，实现了全部科目零补考。 二、机械电子2108007班班主任 在第七届教学节中被评为“零补考班级”，荣获“优秀团支部标兵”、“先进班集体标兵”以及“十佳集体提名奖”等荣誉称号。 竞赛指导 名称 n 第五届中国研究生机器人创新设计大赛（2023） 指导博士研究生团队研制基于腱绳传动的耦合自适应三指差动灵巧手，具有高度灵活性、多种感知能力、结构紧凑、抓持力强等优点。荣获“申昊杯”第五届中国研究生机器人创新设计大赛一等奖，获评“优秀指导老师”。 n 国际空间科学与载荷大赛（2023） 指导硕士研究生团队研制舱内自由飞行机器人原理样机，能够实现舱内环境的检测、仪器设备的巡逻、操控过程的记录以及人工智能交互，参加首届国际空间科学与载荷大赛并荣获铜奖，获批最佳海报。 n 大一年度项目（2022） 指导本科生团队开展模块化镜片设计、装配方案规划以及机械臂操控技术研究，荣获大一年度项目一等奖。 研究项目 名称 序号 项目名称 项目来源 起止时间 排名 经费（万元） 1 XXXX XXXX 2022.11-2025.11 1 120 2 面向星箭对接环的空间机器人视觉测量方法研究 国家自然科学基金青年科学基金项目 2022.01-2024.12 1 30 3 面向太空望远镜在轨装配的空间机器人关键技术研究 中国博士后科学基金第3批特别资助（站前） 2021.06-2023.06 1 18 4 实验舱机械臂数字孪生体构建方法研究 中国博士后科学基金第71批面上资助二等 2022.07-2023.12 1 8 5 面向自主交会对接的空间机器人视觉测量方法研究 黑龙江省博士后面上二等资助 2022.09-2023.12 1 7 可选课题 名称 基于当前项目承担情况以及未来实验室发展规划，设置下列研究课题。感兴趣同学可邮件（liuyanghit@hit.edu.cn）沟通，酌情设置大创项目、本科/研究生课题等。 一、问天舱机械臂自主智能规划方法 课题来源：本人现负责问天舱机械臂路径规划，在未来十余年空间站在轨运营过程中，将持续开展包含支持航天员出舱、载荷安装照料等任务。研究机械臂自主智能规划方法，提高机械臂在轨服务的自主性与智能性，从而减轻在轨任务对于飞控人员的压力。 研究基础：主持研制小机械臂任务规划软件，是问天舱机械臂路径规划与在轨飞控的基础，现已积累了丰富的研究经验。 研究目标：1）实现结构化场景下的机械臂快速碰撞检测；2）实现机械臂多约束条件下的自主路径规划；3）更新三维显示技术，添加光照模拟等模块。 人才需求：1）能够持续投入2年以上的时间；2）熟悉机器人学相关知识，研修过相关课程；3）具备C++/Python基本的编程能力。 综合点评：该课题属于百尺竿头更进一步，剩下的都是难啃的硬骨头了，难度系数较大，同时需要后期酌情参与部分问天舱机械臂在轨飞控工作。优势在于后期进入相关研究院所有加成。 二、非合作航天器位姿估计方法 课题来源：来源于相关承担课题的结题需求，需2025年前完成相关研究。研究面向星箭对接环的目标检测与位姿测量方法，以及基于深度学习框架的目标位姿估计方法。 研究基础：属于本人博士课题的后续研究计划，相关研究基础扎实。同时该课题方向已协助培养两名硕士研究生毕业。 研究目标：1）参考项目申请书，推进研究计划，助力项目结题；2）改进面向星箭对接环的目标检测与位姿测量方法；3）研究深度学习框架下的目标位姿估计方法，实现复杂光照条件下的稳定视觉感知；4）预研下一代空间机械臂视觉测量方法。 人才需求：1）对计算机视觉有初步认知；2）具备C++/Python基本的编程能力。 综合点评：计算机视觉属于热门研究方向，开源框架较多，技术更新迭代快。本人经验积累已落后于现有技术，希望得到学生的协助推进。未来就业可能有优势。 三、人形机器人操控方法 课题来源：2023年11月2日，工信部《人形机器人创新发展指导意见》将人形机器人定义为颠覆性产品，灵巧操作技术有待突破。2024年1月31日，工信部、教育部、科技部等七部门印发《关于推动未来产业创新发展的实施意见》，指出应突破人形机器人智能灵巧手技术。未来将围绕人形机器人智能操控方法开展研究。 研究基础：本人基础差，现有2名博士研究生作为主力推进，希望可以共同学习进步。 研究目标：研究方向主要面向人形机器人：1）视觉测量导航规划；2）臂手灵巧操作控制；3）全身协调稳定控制；4）实时操作控制系统。 人才需求：1）有较强的自学能力；2）具备C++/Python基本的编程能力；3）能够跟进国内外相关研究。 综合点评：人形机器人是当下的研究热点，未来就业面广。技术难度大，但团队能够协调的资源多，同时可能酌情需要出差。 四、基于红外靶标的视觉测量系统 课题来源：自拟课题。研制红外靶标视觉测量系统，代替API测量工具，实现低成本条件下的动态位姿测量。 研究基础：合作标记视觉测量有相关研究基础，已积累3篇专利，现有1名本科生作为主力推进。 研究目标：1）主动红外靶标的小型化、便携化设计；2）PNP高精度位姿估计方法；3）多相机、多靶标融合测量技术；4）动态目标的去模糊方法。 人才需求：1）了解机械设计、电子设计的机电一体化人才；2）了解C++/Python；3）实践能力较强。 综合点评：该课题创新性稍弱，但容易出专利，可以考虑产业化。 五、其它 课题来源：实验室自拟课题或学生意向研究。 综合点评：对于有一定研究基础或研究设想的学生，在综合实验室发展规划的前提下，支持自研课题。 论文期刊 论文标题 Actual shape-based obstacle avoidance synthesized by velocity–acceleration minimization for redundant manipulators: an optimization perspective 作者 Boyu Ma, Zongwu Xie, Bowen Zhan, Zainan Jiang, Yang Liu*, Hong Liu 发表时间 2023.01 期刊名称 IEEE Transactions on Systems, Man and Cybernetics: Systems 期卷 53(10):6460-6474 简单介绍 JCR1区，中科院1区TOP，IF=11.471/2022 论文标题 A Variable Stiffness Actuation Based Robotic Hand Designed for Interactions 作者 Handong Hu, Zongwu Xie, Yiwei Liu, Yang Liu*, Guocai Yang, Jinjun Xia, Hong Liu 发表时间 2024.02 期刊名称 IEEE Transactions on Mechatronics 期卷 29(1):249-259 简单介绍 JCR1区，中科院1区TOP，IF=5.867/2022 论文标题 A modified constitutive model for isotropic hyperelastic polymeric materials and its parameter identification 作者 Wei Wang, Yang Liu*, Zongwu Xie 发表时间 2023.08 期刊名称 Polymers 期卷 15(15):1-32 简单介绍 JCR1区，中科院3区，IF=4.967/2022 论文标题 Effects of loading and unloading control parameters on adhesive performance for biomimetic controllable adhesive with wedge-shaped microstructures 作者 Wei Wang, Yang Liu, Zongwu Xie 发表时间 2022.05 期刊名称 BIOINSPIRATION & BIOMIMETICS 期卷 17(3):1-17 简单介绍 JCR2区，中科院3区，IF=2.985/2022 论文标题 Gecko-Like Dry Adhesive Surfaces and Their Applications: A Review 作者 Wei Wang, Yang Liu, Zongwu Xie 发表时间 2021.09 期刊名称 JOURNAL OF BIONIC ENGINEERING 期卷 18(5):1011-1044 简单介绍 JCR2区，中科院3区，IF=2.995/2022 论文标题 A new approach for the estimation of non-cooperative satellites based on circular feature extraction 作者 Yang Liu, Zongwu Xie, Qi Zhang, Xiaoyu Zhao, Hong Liu 发表时间 2020.07 期刊名称 Robotics and Autonomous Systems 期卷 129:1-11 简单介绍 JCR2区，中科院2区，IF=3.7/2022 论文标题 Three-line structured light vision system for non-cooperative satellites in proximity operations 作者 Yang Liu, Zongwu Xie, Hong Liu 发表时间 2020.05 期刊名称 Chinese Journal of Aeronautics 期卷 33(5):1494-1504 简单介绍 JCR1区，中科院1区，IF=4.061/2022 论文标题 An adaptive and robust edge detection method based on edge proportion statistics 作者 Yang Liu, Zongwu Xie, Hong Liu 发表时间 2020.03 期刊名称 IEEE Transactions on Image Processing 期卷 29:5206-5215 简单介绍 JCR1区，中科院1区TOP，IF=11.041/2022 论文标题 LB-LSD: A length-based line segment detector for real-time applications 作者 Yang Liu, Zongwu Xie, Hong Liu 发表时间 2019.12 期刊名称 Pattern Recognition Letters 期卷 128:247-254 简单介绍 JCR2区，中科院3区，IF=4.757/2022 论文标题 Fast and robust ellipse detector based on edge following method 作者 Yang Liu, Zongwu Xie, Hong Liu 发表时间 2019.11 期刊名称 IET Image Processing 期卷 13(13):2409-2419 简单介绍 JCR3区，中科院4区，IF=1.1773/2022 论文标题 A Trajectory Planning Framework for Experimental Module Manipulator On-Orbit Servicing 作者 Boyu Ma, Baoshi Cao, Yang Liu*, Yuteng Xie, Xiaohang Yang, Wei Wang, Handong Hu, Xiaokai Zhou, Yiming Ji, Zhengpu Wang, Mengfei Li, Haoran Sun, Wandong Sun, Zongwu Xie 发表时间 2023.12 期刊名称 2023 IEEE International Conference on Robotics and Biomimetics (ROBIO) 期卷 简单介绍 论文标题 The Application of Acceleration-Level Quaternion Interpolation in the Visual-Servoing Process 作者 Xiaoyu Zhao, Yang Liu, Zongwu Xie 发表时间 2021.03 期刊名称 2021 13th International Conference on Computer and Automation Engineering 期卷 100-104 简单介绍 论文标题 Stable Capturing Strategy in the Dual-arm Time-Delay Capturing System with Hardware Closed Chain 作者 Xiaoyu Zhao, Yang Liu, Zongwu Xie 发表时间 2021.04 期刊名称 2021 7th International Conference on Control, Automation and Robotics 期卷 131-135 简单介绍 论文标题 Virtual simulation of the artificial satellites based on OpenGL 作者 Yang Liu , Yikun Gu, Zongwu Xie, Haitao Yang, Zhichao Wang, Hong Liu 发表时间 2017.08 期刊名称 2017 International Conference on Intelligent Robotics and Applications 期卷 484-494 简单介绍 论文标题 Trajectory planning of robot manipulators based on unit quaternion 作者 Yang Liu, Zongwu Xie, Yikun Gu, Chunguang Fan, Xiaoyu Zhao, Hong Liu 发表时间 2017.07 期刊名称 2017 IEEE International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics 期卷 1249-1254 简单介绍 论文标题 The simulated binocular camera system based on OpenGL 作者 Yang Liu, Zongwu Xie, Bin Wang, Hong Liu, Hegao Cai 发表时间 2017.06 期刊名称 Journal of Harbin Engineering University 期卷 939-944 简单介绍 论文标题 Research on the visual servo system of a free-floating space robot 作者 Yang Liu, Zongwu Xie, Bin Wang, Hong Liu, Hegao Cai 发表时间 期刊名称 2017.02 期卷 Journal of Harbin Engineering University 简单介绍 论文标题 A practical detection of non-cooperative satellite based on ellipse fitting 作者 Yang Liu, Zongwu Xie, Bin Wang, Hong Liu, Jing Zheng, Huang Cong, Bao Shi 发表时间 2016.08 期刊名称 2016 IEEE International Conference on Mechatronics and Automation 期卷 1541-1546 简单介绍 论文标题 Pose measurement of a non-cooperative spacecraft based on circular features 作者 Yang Liu, Zongwu Xie, Bin Wang, Hong Liu, 发表时间 2016.06 期刊名称 2016 IEEE International Conference on Real-time Computing and Robotics 期卷 221-226 简单介绍 发明专利 名称 [1] 刘阳; 姬一明; 谢光虎; 谢宗武; 曹宝石; 一种用于中国空间站的三维网格模型简化方法, 2023-9-14, 中国, CN202311187026.7 [2] 刘阳; 李孟飞; 冯伟超; 姬一明; 谢光虎; 曹宝石; 孙奎; 谢宗武; 一种面向在轨组装的空间机械臂灵巧性评估方法, 2023-11-29, 中国, CN202311854179.2 [3] 刘阳; 郭靖; 曹宝石; 谢宗武; 李德伦; 刘宏; 一种航天器锁紧接口的四爪转换装置, 2023-5-19, 中国, CN202310570297.4 [4] 刘阳; 李孟飞; 冯伟超; 姬一明; 谢光虎; 曹宝石; 谢宗武; 杨国财; 一种七自由度空间机械臂在轨操作的手眼标定方法, 2023-4-28, 中国, CN202310486617.8 [5] 刘阳; 谢光虎; 姬一明; 谢宗武; 曹宝石; 杨国财; 李雪皑; 一种基于模块化红外靶标的位姿测量系统, 2023-4-28, 中国, CN202310481292.4 [6] 刘阳; 李孟飞; 冯伟超; 姬一明; 谢光虎; 曹宝石; 孙奎; 谢宗武; 一种基于改进臂角法的 SSRMS机械臂位置级逆解算法, 2024-01-30, 中国, CN202410128246.0 [7] 刘阳; 李孟飞; 冯伟超; 曹宝石; 谢宗武; 一种面向冗余空间机械臂的奇异性分析方法, 2024-1-18, 中国, CN202410070266.7 [8] 刘阳; 李孟飞; 冯伟超; 姬一明; 谢光虎; 曹宝石; 孙奎; 谢宗武; 一种 SSRMS 构型机械臂单关节故障的运动学重构方法, 2024-1-30, 中国, CN202410133265.2 [9] 刘阳; 张永龙; 马博宇; 李孟飞; 姬一明; 谢光虎; 曹宝石; 谢宗武; 孙永军; 模块化单面可调红外测量靶标, 2024-2-26, 中国, CN202410209894.9 [10] 刘阳; 张永龙; 李孟飞; 马博宇; 谢光虎; 姬一明; 曹宝石; 谢宗武; 孙永军; 基于红外主动光源的模块化多面靶标, 2024-02-26, 中国, CN202410209896.8 专著教材 名称 参编以下两本数字教材，预计出版时间为2024年12月： [1] 工业机器人技术，主编：李瑞峰； [2] 空间机器人技术，主编：刘伊威。