基於人臂運動機理的機械臂運動控制理論與實驗研究

《基於人臂運動機理的機械臂運動控制理論與實驗研究》是依託北京工業大學，由趙京擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：基於人臂運動機理的機械臂運動控制理論與實驗研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：趙京
• 依託單位：北京工業大學

項目摘要

隨著機器人越來越接近人類，對機器人提出了更高的要求。仿人運動是其中重要的一項，既可以給人類使用者營造安全舒適的合作環境，也可以進一步提高人機合作的效率。本項目針對擬人機械臂的仿人運動控制問題，以人臂為研究對象，首先對人臂運動過程進行研究，探索人臂運動規律，分析運動過程中不同時刻下的人臂運動狀態，確定人臂運動模型。在此基礎上，對不同任務下的冗餘度分解機理，肩部和操作對象之間相對位置的選擇機理，人機互動安全性原則和雙臂對抗中的制勝策略機理展開研究。同時基於快速擴展隨機樹算法專門針對仿人運動規劃這一套用背景，建立新的規划算法和完整的擬人機械臂仿人運動的綜合評價體系。最後，針對友好、協作特點，從服務型機器人和新型工業機器人兩方面進行實驗研究，並驗證理論結果的準確性。項目研究成果對闡明人臂運動內在機理，揭示人臂運動規律具有重要意義，為擬人臂的仿人運動控制及套用奠定理論基礎。

結題摘要

隨著機器人越來越接近人類，對機器人提出了更高的要求。仿人運動是其中重要的一項，既可以給人類使用者營造安全舒適的合作環境，也可以進一步提高人機合作的效率。本項目主要研究基於人臂運動機理的擬人機械臂的運動規劃和控制問題，目標是使機械臂以擬人的運動方式與人發生互動行為。首先基於大量的人臂運動捕捉實驗結果，建立了擬人化臂姿指標和運動階段劃分法來解析人臂的運動機理。其中擬人化指標基於人臂最小勢能和最大舒適度原理，通過最佳化該指標值確定擬人臂姿。而運動劃分則基於距離判據和姿態判據，實現完整運動的分割。其次，基於運動劃分的方法提出一種分級規劃策略來模擬人臂運動過程中運動狀態的變化，將它與基於貝葉斯網路的人工智慧決策手段相結合，建立了一種新的擬人運動規劃方法，並通過耦合神經網路反解出擬人臂的運動關節角來實現機械臂的運動控制。同時，基於仿人運動的運動參數建立了一種情感模型，通過該模型識別人臂運動表達出來的情感並把它用於規劃機器人的運動，讓機器人在完成任務的同時也展現出不同的情感。接著，建立了多種仿人程度評價指標和其他機器人性能指標，實現對機器人仿人能力和綜合性能的評價，用於對機器人的進一步改進。而後，針對機器人的安全性問題進行了綜述，提出基於關節空間快速組合搜尋的安全性避障算法，並針對協作問題提出一種基於誤差空間分析的協作運動規劃方法。此外，提出了基於重力補償方法和預設性能函式方法的機械臂運動控制方法，實現更好的軌跡跟蹤控制和更高的控制精度，以滿足擬人臂的仿人運動控制需求。最後，開展運動捕捉實驗和擬人臂仿人運動控制實驗，驗證了新方法的正確性和有效性。本項目的研究成果揭示了人臂的內在運動機理，提出的新方法能夠套用到人形服務機器人、新型工業機器人、醫療康復機器人的擬人臂的運動控制中，提高它們的仿人能力和與人互動的能力，具有重要的現實意義。