本文選題：服務(wù)機(jī)器人 + 變阻抗控制�。� 參考：《哈爾濱工業(yè)大學(xué)》2017年博士論文

【摘要】：隨著社會(huì)生產(chǎn)和生活方式的快速變化,傳統(tǒng)機(jī)器人已無(wú)法滿足生產(chǎn)的高柔順性以及智能性、靈巧性的要求和人們生活環(huán)境的復(fù)雜多變需求。因而新一代機(jī)器人需具有較好的人機(jī)友好界面,能夠快速、靈巧地具備人的認(rèn)知及操作技能、能夠與人共享工作空間,提高生產(chǎn)效率、質(zhì)量等。本文以人的阻抗調(diào)節(jié)機(jī)理和機(jī)器人阻抗控制技術(shù)為基礎(chǔ),基于表面肌電信號(hào)(sEMG)對(duì)人的肢體動(dòng)作信息,即阻抗和運(yùn)動(dòng)學(xué)信息進(jìn)行建模和提取,通過(guò)構(gòu)建人機(jī)動(dòng)作信息協(xié)調(diào)控制系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)人的動(dòng)作信息向機(jī)器人的自然、柔順傳遞。人體肢體運(yùn)動(dòng)與傳統(tǒng)的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)相比,具有較好的柔順性、環(huán)境適應(yīng)性和復(fù)雜的技巧性。這些特性得益于人類(lèi)長(zhǎng)期進(jìn)化產(chǎn)生的機(jī)械阻抗調(diào)節(jié)技能來(lái)適應(yīng)交互環(huán)境的變化。因而人機(jī)動(dòng)作信息傳遞只有同時(shí)包含運(yùn)動(dòng)學(xué)信息和阻抗信息的傳遞,才能實(shí)現(xiàn)人的動(dòng)作特性向機(jī)器人的傳遞。本文首先對(duì)目前人體阻抗調(diào)節(jié)和機(jī)器人柔順性人機(jī)交互技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述,總結(jié)了機(jī)器人在面臨新的生產(chǎn)方式和生活方式上的不足,歸納了下一代機(jī)器人相對(duì)于傳統(tǒng)機(jī)器人更高的柔順性要求,進(jìn)而引出本文的研究目的和意義。接著對(duì)人的上肢運(yùn)動(dòng)靈巧性,柔順性的動(dòng)作技能產(chǎn)生機(jī)理,即阻抗調(diào)節(jié),技能學(xué)習(xí)優(yōu)化進(jìn)行了系統(tǒng)綜述,尤其在與機(jī)器人技術(shù)結(jié)合,實(shí)現(xiàn)人機(jī)動(dòng)作技能傳遞等方面進(jìn)行了深入概括。在此基礎(chǔ)上,對(duì)近些年來(lái)仿人阻抗調(diào)節(jié)的機(jī)器人關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)及控制方法進(jìn)行了綜述。接著對(duì)基于人體阻抗調(diào)節(jié)的機(jī)器人人機(jī)交互系統(tǒng)及相關(guān)方法進(jìn)行了類(lèi)比,分析和總結(jié)。為本文開(kāi)展研究奠定了前期理論和工程基礎(chǔ)�；谌梭w上肢阻抗調(diào)節(jié)的生物學(xué)原理,本文進(jìn)行了基于sEMG信號(hào)的人體上肢剛度建模、辨識(shí)。采用二階系統(tǒng)模型對(duì)人體上肢3D笛卡爾空間剛度模型進(jìn)行了系統(tǒng)辨識(shí),驗(yàn)證了人體阻抗調(diào)節(jié)特性。對(duì)于人體上肢末端的阻抗辨識(shí),本文系統(tǒng)闡述了人體肌肉笛卡爾空間剛度向關(guān)節(jié)空間剛度的變換,以及關(guān)節(jié)空間向笛卡爾空間的逆變換。設(shè)計(jì)了sEMG信號(hào)平滑包絡(luò)技術(shù)算法和人體上肢剛度辨識(shí)算法。上肢雅可比矩陣是剛度空間變換的重要參數(shù),本文基于機(jī)器人D-H坐標(biāo)和人的上肢相應(yīng)關(guān)節(jié)動(dòng)作匹配,對(duì)人的手臂運(yùn)動(dòng)學(xué)進(jìn)行了建模,基于視覺(jué)和慣性測(cè)量單元(IMU)對(duì)人體上肢的雅可比矩陣進(jìn)行提取,為實(shí)現(xiàn)人體上肢的剛度在線辨識(shí)奠定了基礎(chǔ)。為實(shí)現(xiàn)人體阻抗信息和運(yùn)動(dòng)學(xué)信息向機(jī)器人的傳遞,本文對(duì)機(jī)器人變阻抗控制原理進(jìn)行了深入研究,設(shè)計(jì)了機(jī)器人變阻抗控制器模型,構(gòu)建了基于人體上肢阻抗調(diào)節(jié)的機(jī)器人人機(jī)動(dòng)作信息傳遞控制模型,可使機(jī)器人快速模仿人的肢體動(dòng)作。為提高人和機(jī)器人交互的自然性和柔順性,本文引入觸覺(jué)反饋對(duì)人機(jī)動(dòng)作信息傳遞進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)研究。本文開(kāi)展了基于sEMG信號(hào)的人機(jī)動(dòng)作信息傳遞應(yīng)用研究,如人體關(guān)節(jié)抗干擾和機(jī)器人自適應(yīng)抗干擾實(shí)驗(yàn)研究,提重物實(shí)驗(yàn),機(jī)器人阻抗寫(xiě)字示教實(shí)驗(yàn)和人-機(jī)器人-人寫(xiě)字技能訓(xùn)練實(shí)驗(yàn)及遙操作實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)現(xiàn)了人的阻抗調(diào)節(jié)信息和運(yùn)動(dòng)學(xué)信息向機(jī)器人的自然傳遞,驗(yàn)證了本文提出的人機(jī)動(dòng)作信息傳遞的有效性和可行性。
[Abstract]:With the rapid change of social production and life style, traditional robots have been unable to meet the requirements of high compliance, intelligence, dexterity and the complex and changeable needs of people's living environment. Therefore, the new generation of robots must have a good human-machine friendly interface, fast and dexterity with human cognition and operation skills. In this paper, based on the human impedance regulation mechanism and the robot impedance control technology, based on the surface EMG signal (sEMG), this paper builds and extracts the human body movement information, namely the impedance and kinematics information, through the construction of the human machine action information coordination control system, and realizes the human being. Movement information transfers to the nature and flexibility of the robot. Body movement of human body has better flexibility, environmental adaptability and complex skill than traditional robot motion. These characteristics benefit from the mechanical impedance adjustment skills produced by human long-term evolution to adapt to the change of interactive environment. In this paper, the current status of human body impedance regulation and robot compliant human-computer interaction technology is summarized, and the shortcomings of the robot in the face of new production mode and life style are summarized. A generation of robots is more compliant than traditional robots, and then leads to the purpose and significance of the research. Then, the mechanism of the dexterity of the movement of the upper limb and the mechanism of the flexibility of action skills, that is, the impedance adjustment, and the optimization of skill learning are systematically reviewed, especially in combination with the robot technology to realize the man-machine action skill transmission. On the basis of this, the joint design and control methods of humanoid impedance regulating robot in recent years are summarized. Then the robot human-computer interaction system based on human impedance regulation and the related methods are analogous, analyzed and summarized. The preliminary theory and engineering are laid for this study. Based on the biological principle of the impedance regulation of the human upper limb, this paper carries out the modeling of the stiffness of the upper limb based on the sEMG signal. The two order system model is used to identify the 3D Cartesian spatial stiffness model of the human upper limb, and the impedance characteristics of the human body are verified. The transformation of space stiffness of human muscle Descartes space stiffness to joint space stiffness and the inverse transformation of joint space to Descartes space are expounded. The sEMG signal smoothing envelope technique and the stiffness identification algorithm for human upper limb are designed. The upper limb Jacobi matrix is an important parameter for the spatial transformation of stiffness. This paper is based on the D-H coordinates of the robot and the upper part of the human body. The kinematics of the arm is modeled by the corresponding joint of the limb. The Jacobi matrix of the upper limb of the human body is extracted based on the visual and inertial measurement unit (IMU), which lays the foundation for the realization of the on-line identification of the stiffness of the upper limb. The principle of impedance control is deeply studied. A robot variable impedance controller model is designed. A robot man-machine action information transfer control model based on the impedance adjustment of the body upper limb is constructed, which can make the robot imitate human movements quickly. In order to improve the nature and flexibility of human and robot interaction, the tactile feedback is introduced in this paper. The study of man-machine action information transmission is carried out by comparative experiment. In this paper, the application of man-machine action information transmission based on sEMG signal is carried out, such as anti interference of human joint and Experimental Research on Adaptive Anti-jamming of robot, experiment of lifting heavy objects, experiment of robot impedance writing instruction, training experiment of human and human writing skill and tele operation It realizes the natural transmission of the human impedance adjustment information and kinematics information to the robot, and verifies the validity and feasibility of the man-machine action information transmission proposed in this paper.

【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類(lèi)號(hào)】：TP242

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本文編號(hào)：1873876