机器人手臂类人化认知操作机理及交互控制研究

This research topic is proposed to exploit anthropomorphic and cognitive manipulation and its interactive application on robot arm, based on human motor control theories. This includes adaptive motor learning and coordination as well as human-human cooperation. Human kinematics and dynamics modelling with redundancy are established by employing multi-sensor fusion from vision, force, motion etc. Anthropomorphic kinematics and dynamics modelling of robot arm will be investigated based on human motor control research. Anthropomorphic and cognitive manipulation performance such as safety, stability, flexibility and usability will be verified by compliant interaction under the scenarios: human- robot collaboration and multi- human- robot cooperation in routine tasks. This research will enable robot to share the same workspace with our human beings, and supply primitives and technologies of human robot collaboration. It may improve robot intelligence, dexterity, versatility and adaption. Related research has important implications for the development of the next generation of robotic systems.

本研究主要基于人的运动神经机理，如人的运动控制学习，运动协调和人-人协作机制，以实现机器人的类人化认知操作及交互控制。拟基于多种人体穿戴式传感器及视觉，力信息的融合，实现人的冗余运动学和动力学建模，在此基础上，构建类人化机械人手臂冗余运动学和自适应学习变阻抗控制器模型，并通过开展人机协作及多人-多机协作等安全柔顺性的人机交互控制试验应用研究，验证机器人类人化认知操作及交互控制策略的安全性，稳定性，柔顺性和普适性。该研究将为机器人无缝融入人的工作空间，与人协作提供相应的理论支持和技术积累，能够显著提高机器人的智能性、灵巧性、多功能性和适应性，相关研究对下一代的机器人系统开发具有重要意义。

随着当今制造业的产品需求正在发生从大批量生产向大规模定制的转变，制造模式从刚性生产模式向柔性生产模式转变，以及机器人的工作环境由结构单一化向复杂多模态化转变，协作机器人成为应对复杂多变的生产和生活需求的有效解决方案。机器人手臂类人化认知操作机理及交互控制是协作机器人研究中的关键点所在。项目以提升机器人手臂的类人化认知操作性能为出发点，重点攻克基于人体神经运动控制的人体技能建模提取、机器人类人化自适应变阻抗技能学习和人机柔顺交互三个理论难题，从而提高机器人在复杂未知环境下，完成复杂任务的能力，推动机器人的全面普及和应用。.项目提出基于多传感器信息的人体运动技能建模提取方法，为构建自然、高效的人机技能传递和交互控制提供理论基础。该算法基于双目视觉相机提取人体上肢运动特点，建立人体上肢运动学模型，获得人体上肢手臂冗余逆运动学求解方法；基于肌电传感器采集人体上肢表面肌电信号，提出人体上肢刚度辨识算法；基于肌电信号完成了人体意图检测和上肢手势识别研究。.在前述基于多传感器信息建立的人体运动技能模型的基础上，基于动态运动基元和刚度基元提出了机器人运动轨迹和阻抗特性的并行编码方法，实现了人的运动轨迹和刚度特性向机器人的双重传递。在此基础上提出了一种机器人类人化变刚度操作技能学习方法，使得机器人能够自主学习获得最优的运动轨迹和变刚度策略。提出基于人体上肢刚度和振荡观测器的变阻抗策略，解决了人机交互中由于人体上肢刚度变化导致的机器人振荡问题。.项目针对机器人在动态非结构环境中的人机交互应用，提出一种基于动态系统的人机共享协作控制方法，提高机器人的自主作业能力。设计并搭建了一种新型的仿人变刚度关节。最终在机器人手臂平台上进行了人机技能学习、人机协同作业等实验，验证了项目所取得的提高机器人手臂的安全性、智能性和柔顺性的理论与技术创新成果。