基于运动学习与控制的钢琴教学机械手设计理论与方法

Educational service robot has the important theoretical significance and engineering application value to promote the interdisciplinary research of educational information science and robot technology. In this project, the description of fingers key-touching motion characteristics, the system design and motion characteristics realization of piano teaching robotics, and the teaching process design and quantitative evaluation are studied. Based on the biological structure of human hands, a motion model of finger key- touching is established.The motion parameters of finger joints are measured by using of motion capture technology, and then the finger key-touching motion curves are obtained. The motion characteristics of joint mechanism and underactuated mechanism of the exoskeleton robotic hand are studied, and the orthogonal test is applied to optimize the structure design of underactuated exoskeleton robotic hand. A human-machine system model of exoskeleton robotic hand is established.The adaptive algorithms for producing finger key-touching motion curve and a progressive assistive motion control strategy to control position and force are studied. The configuration, combination and classification of motion units in the design of teaching process, as well as the action testing and quantitative evaluation method for motion characteristics are studied in this project. Finally, based on the theoretical research achievement of the project, the man-machine system of underactuated exoskeleton robotic hand for piano teaching is bulit, and the whole process of simulation analysis, experimental verification and teaching experiment is achieved. This will provide theoretical guidance and experimental reference for the development and application of the educational robot to service motion learning.

教育服务机器人对推动教育信息科学技术与机器人技术交叉研究有着重要的理论意义和工程应用价值。本项目对钢琴弹奏手指触键的运动特性描述、钢琴教学机械手的系统设计与运动特性实现，以及教学过程设计与量化评价等问题进行研究。依据人手生物学结构，建立手指触键的运动模型；采用动作捕捉技术进行手指关节运动参数测定，获得手指触键运动曲线。研究外骨骼机械手关节机构和欠驱动机构运动特性，采用正交试验方法实现欠驱动外骨骼机械手的结构优化设计。建立外骨骼机械手人机系统模型，研究手指触键运动曲线自适应算法和实现位置控制与力控制的渐进式辅助运动控制策略。研究教学过程设计中运动单元配置、组合和分类，以及面向运动特性的动作测试与量化评价方法。最后，以项目的理论研究成果为核心内容，构建欠驱动外骨骼钢琴教学机械手人机系统，并实现其仿真分析、实验验证和教学实验的全过程，为运动学习型教育服务机器人的研制和应用提供理论指导和实验参考。

钢琴弹奏是一项专业的手部运动技能，对手的姿态、手指触键力度、速度等均有严格的规范。随着我国社会生产力和经济水平的日益提高，有限的钢琴教育师资力量不能满足日益增长的钢琴学习者的需要，而教育服务机器人的发展为这一矛盾提供了解决思路。本项目将运动学习与控制理论和机器人技术相结合，针对人手弹琴触键动作特点进行钢琴教学机械手的研发，用以钢琴教学辅助训练，进而帮助初学者进行触键动作的学习。根据人手生理结构和触键动作的不同，本项目分别对拇指和食指弹琴触键动作进行研究。首先，搭建手指弹琴触键动作测量平台并完成手指弹琴触键动作数据采集。通过建立手指弹琴触键运动学模型并进行手指弹琴触键运动分析，得到手指弹琴触键标准运动曲线和运动方程，进而揭示了手指弹琴触键运动规律。其次，根据人手弹琴触键动作特点进行钢琴教学机械手欠驱动结构、关节偏置结构和线传动结构等设计，使外骨骼钢琴教学机械手能够满足人手弹琴触键运动特性要求，并保证机械手穿戴方便、安全可靠。然后，建立钢琴教学机械手控制系统，并实现控制机械手带动钢琴初学者进行手指高抬指训练。提出一种线性自抗扰迭代学习控制算法，有效降低了扰动在钢琴教学机械手轨迹跟踪任务中的影响。最后，完成触键动作训练实验、触键力度评估实验、主被动触键训练对照实验，实验结果表明，相比传统的教学方法，本项目的钢琴教学机械手人机系统可以更为有效的为学习者提供动作反馈和错误纠正，提升初学者的弹琴触键动作学习效率。所建立的手指弹琴触键动作评价系统可实现从运动位姿、运动速度和触键力三个方面进行手指弹琴触键动作评价。因此，本项目形成手指弹琴触键动作采集与运动分析、钢琴教学机械手结构和控制系统设计、钢琴教学评价过程的整体性研究，为运动学习型教育服务机器人的研制和应用提供理论指导和实验参考。