基於生物物理學的仿人機械臂擬人化運動控制研究

《基於生物物理學的仿人機械臂擬人化運動控制研究》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：基於生物物理學的仿人機械臂擬人化運動控制研究
• 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

隨著人機互動技術的不斷成熟和廣泛套用，特別是服務型機器人的商品化，機器人的仿人性能成為了機器人設計和控制的新要求。機器人通過模仿人類行為特徵，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。本文主要研究基於生物物理學的仿人機械臂的模型構建和運動規劃問題，目標是使機械臂模仿人臂運動規律完成一般運動。首先以人臂為研究對象，結合生物物理學的研究成果，研究人臂運動規律的形成機理和關節運動的冗餘度分解。以此為基礎，對仿人機械臂進行構型和尺寸綜合。而後借鑑心理學相關研究，提出一種目標臂姿的假設。最後在此基礎上，建立自運動變數控制方程，研究考慮來自人體和人臂自身的不等式約束條件下的多指標、多運動優先權的控制算法，並進行仿人機械臂虛擬樣機和物理樣機的擬人化運動控制實驗研究。本課題將冗餘度機器人學和生物物理學相結合，緊隨國際機器人研究的發展方向，具有一定的創新性。

結題摘要

隨著人機互動技術的不斷成熟和廣泛套用，特別是服務型機器人的商品化，機器人的仿人性能成為了機器人設計和控制的新要求。機器人通過模仿人類行為特徵，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生物物理學的仿人機械臂的模型構建和運動規劃問題，目標是使機械臂模仿人臂運動規律完成一般運動。首先從人體解剖學的角度出發，分析人臂的運動機理，並結合人體測量學和機器人學相關原理構建了六種不同的仿人機械臂構型。根據人臂的運動特性分析人臂的運動工作空間，將各構型仿人機械臂工作空間與其對比，從而篩選出串聯方式下的最佳仿人機械臂構型。其次，提出了目標臂姿假說對人臂運動規律進行解釋，並基於該假說提出了三階導層面的逆運動學算法，進行機械臂仿人達點運動規劃。接著，為了確定自然的目標臂姿，利用最小總勢能原理和關節舒適度，對人臂臂姿的選擇機理進行了解釋，並提出了變係數扭簧模型來描述儲存在肌肉里的彈性勢能。基於該機理和等效模型，分別建立了達點和抓持任務中的人臂冗餘度分解指標，通過最佳化該指標即可得到不同任務下自然的人臂臂姿。而後，利用梯度投影法和快速擴展隨機樹算法，分別提出了有障礙和無障礙環境中的機械臂仿人達點運動規劃策略。此外，還提出了一種新的基於採樣的最佳化算法，進行機械臂仿人抓持運動的規劃。最後進行了大量的實驗研究，將規劃得到機械臂仿人運動與運動捕捉系統採集到的真實人臂運動進行比較，驗證了新指標、新算法的有效性。