关节空间中遥操作机器人异构主从臂的运动映射研究

Tele-manipulation robot systems have a wide range of applications in the hazardous environments as an emergency and disaster relief tool. In order to complete some specific tasks in a special circumstance, the slave arm of the tele-manipulation robot system usually equipped with a manipulator that has a unique configuration specially designed for tasks and circumstance, while the master arm of the tele-manipulation robot system is a human-robot interface suit for the operating staff to input the tele-operation command, i.e., the master and slave arms are heterogeneous. .In this application we propose a research plan as following: we firstly take the right arm of the operating staff as a universal master arm, and measure the motion of the master arm via a wearable motion capture system; then we divide the joints of the slave manipulator into 3 groups, namely shoulder, elbow and wrist, by analog, and design a corresponding motion mapping algorithm in the joint space according to the special configurations of the master and the slave arm, and we also study the autonomous obstacle avoidance algorithm for the slave arm; finally we transform the motion data of the master arm into the joint space of the heterogeneous slave arm to serve as the motion command of the latter..Our research plan possesses two remarkable advantages that are vital to the application of the tele-robotic systems: (1) the fatigue degree and error rate of the operating staff can be significantly reduced; (2) the safety of the tele-manipulation robot system can be significantly improved when it is working in an unstructured and constrained environment. Therefore, this research proposal has great significance for improving the efficiency of the tele-operation robot system with heterogeneous master/slave manipulators.

遥操作机器人系统作为危险环境下的抢险救灾工具具有非常广泛和重要的应用。遥操作机器人系统的从臂通常是专门为特定环境和特定任务而设计的特殊执行机构，其主臂则是适合控制人员输入遥操作指令的人—机器人接口，即主从臂是异构的。本项目申请以人手右臂作为通用主手，异构的机械臂作为从手，首先采用穿戴式人体运动捕捉系统获取人手右臂的关节运动数据，然后根据机械臂的构型特征将其关节通过类比分为肩、肘、腕3组，研究在关节空间中异构主从臂的运动映射算法和机械从臂的自主避障算法，最终实现符合控制人员日常习惯的异构从机械臂遥操作控制。本课题申请的研究方案具有如下两个突出的优点：（1）可以显著降低操作者的疲劳程度和出错率；（2）可以显著提高遥操作机器人在非结构化和受限空间中作业时的自身安全性。本项目申请提出在关节空间中研究遥操作机器人异构主从臂运动映射的研究方案，对提高遥操作机器人系统的作业效率和质量具有十分重要的意义。

遥操作机器人系统作为危险环境下的抢险救灾工具具有非常广泛和重要的应用。遥操作机器人系统通常是一种异构的系统，其异构主从臂之间的运动映射算法研究对于提高遥操作控制质量和效率具有十分重要的意义。为了实现符合操作者直觉的遥操作运动映射，本项目以人手右臂作为通用主臂，针对四种典型的异构从臂类型，采用单位对偶四元数建立异构主从臂的运动学模型，根据机械臂的构型特征建立主从臂在习惯作业空间的对应关系，设计了基于类比关节和立体几何方法的主从运动映射算法。该算法具有如下突出的优点：（1）不需要经过复杂的基于分析、数值计算、或者机器学习的逆运动学求解步骤，具有计算简单、容易理解和便于实时执行的特点；（2）能够在异构从臂上以很高运动映射精度实现操作者的运动指令，主从手的位姿具有高度的一致性，因此可以满足各种精准的遥操作控制要求；（3）主从臂的肘部运动轨迹也具有较好的相似性，这就意味着从臂的运动具有很好的类人运动的特点，有利于实现符合操作者直觉的高质量遥操作控制。最理想的从端机器人系统是与主端操作者同构的仿生机器人系统，这样的机器人能够通过对应关节的直接运动映射完全复现操作者的运动指令，并能够使用专门为人类设计的工具，从而实现最好的符合操作者直觉的运动控制。为此我们研究了机械臂和灵巧手的仿生设计和类人运动控制问题, 根据欧洲高性能仿人机器人技术实验室（H²T）提出的Master Motor Map人体运动学模型设计了仿生机械臂和灵巧手，采用气动肌肉实现类似人体肌肉的驱动特性，采用鲍登线模拟人体的肌腱韧带结构实现机械臂/手关节的运动解耦，采用扩张状态观测器和最优控制/滑模控制的方法实现机械臂符合最小加加速度模型的类人运动控制。我们的研究结果有利于减轻遥操作控制人员的生理和心里负担，减少遥操作控制人员的培训时间和出错率，改善遥操作过程中的人机物安全性，提高遥操作过程的质量和效率。