缓冲规划与机器人多点主动碰撞机理及人工肌肉实现

非结构化环境中人机协调工作是机器人研究前沿，但碰撞是难点，会给机器人造成动态干扰和破坏，对人产生危害。已有研究集中在避碰和单点或平面多点碰撞上。本课题从缓冲规划角度研究空间多点主动碰撞机理。首先，基于Johnson理论和多体动力学建立弹塑碰撞模型，利用拉格朗日非线性约束算子来研究多点开闭链接触；其次，碰撞前利用微分对策规划机器人姿态来控制碰撞状态；碰撞中借鉴太极动作，利用泛函优化方法规划柔顺/阻抗缓冲动作，并通过变刚度和广义动力耦合来实现动作；利用Hession阵求碰撞区驱动器综合变刚度调节律，利用梯度法确定广义动力耦合方向；然后，基于有限元和协同仿真技术对机理进行仿真；最后，综合形状记忆合金、气动肌肉和电动薄膜技术，开展人工肌肉关节主动碰撞应用实验。本课题探索多点、刚柔混合系统带微滑动的主动碰撞机理，建立缓冲规划方法，成果可用于机器人与人协作、护理和救助等领域。

针对机器人与外界的主动接触和安全碰撞，本项目利用柔性梁和非线性弹簧模型，开展了多连杆机械臂的柔性建模与动力学、碰撞力学建模；利用模态假设法对柔性变形进行解耦求解；综合考虑阻尼和刚度矩阵，仿真分析了不同材质机械臂的柔性变形；分析了变刚度、变姿态和不同驱动力矩下的碰撞响应；设计了自由空间和接触空间下的自适应阻抗控制算法，增强碰撞安全性；设计并建立了柔性机器人碰撞实验平台，开展了柔性碰撞实验；设计并建立了机器人缓冲柔顺阻抗控制实验平台，开展了柔顺接触实验。设计了形状记忆合金丝编织网气动人工肌肉，及其驱动的仿生关节；开发了形状记忆合金丝气动肌肉测试平台和样机；建立虚拟样机和实物样机仿真平台。分析了机构参数对关节仿生特性的影响，优化设计了拮抗安装的两个气动肌肉驱动的仿生手臂关节。针对缓冲控制实用中的碰撞检测问题，设计了无需力传感器的碰撞观测器，以及机器视觉碰撞检测中的稳像算法。实验表明，建立的柔性多体系统的非线性碰撞动力学模型正确，求解方法可行；机器人手臂的柔性碰撞响应与材质有密切关系；手臂不同姿态会影响转动惯量和碰撞接触速度；本项目设计的自适应阻抗控制算法可实现碰撞主动缓冲调节; 柔性变形会使得机械臂的位控和力控效果变差；自适应阻抗控制会改善控制响应，对环境不确定具有鲁棒性；形状记忆合金丝编织网气动肌肉，调节特性更灵活，与人体生物肌肉特性跟接近；非对称、不等高的、气动肌肉驱动的仿人机器人手臂仿生特性好，便于实现缓冲碰撞。无力传感器的碰撞检测和碰撞下机器视觉稳像技术，为本项目研究的主动缓冲碰撞实际应用提供了基础。利用研究成果开发了相关仿生关节。已发表相关论文22篇（20篇标有基金号），其中SCI源收录4篇，EI收录9篇，一级期刊5篇，核心期刊7篇，一般期刊1篇；已录用待发表论文3篇（都标有基金号，2篇SCI源期刊）；授权发明专利2项，授权实用新型专利6项，已公开发明专利5项；毕业硕士生3名。研究成果的应用研究得到了科技部质检公益性行业科研计划支持。