刚柔耦合协作机器人顺应性交互动力学研究

Adaptability and interaction dynamics are one of the hot topics in the research of Tri-Co robots. A human-robot cooperative system with a rigid-flexible robot and a human being is considered in this research. The adaptability and interaction dynamics of the human-robot cooperative system is studied deeply. Firstly, we study the influence of rigid-flexible coupling to the robot dynamics, and develop the dynamics model for the rigid-flexible coupling robot. Secondly, we obtain the kinematics and dynamics information of robot and human being based on multimodal information fusion, and study the adaptability mechanism of the human-robot cooperative system, and develop the tuning model for adaptability. Thirdly, we study the influences of rigid-flexible coupling, human-robot coupling, and kinematics-dynamics coupling to the interaction dynamics, develop the interaction dynamics model with the adaptability mechanism. Finally, we develop the control scheme based on the interaction dynamics model, and conduct the human-robot cooperative experiments to evaluate the adaptability and interaction dynamics. This study can develop the human-robot adaptability and interaction dynamics model, which can improve the quality and efficiency of human-robot cooperative system. It has theoretical significance and application value for the design of Tri-Co robot system and the intelligent manufacturing in industrial 4.0.

人机协作顺应性机制与交互动力学是共融机器人研究领域的热点之一。本项目以刚柔耦合协作机器人与人组成的人机协作系统为研究对象，对人机协同作业中的顺应性机制与交互动力学特性展开深入的研究。首先，研究刚柔耦合对机器人动力学的影响，建立刚柔耦合协作机器人的动力学模型；其次，基于多模态信息融合获取机器人与人的运动及动力信息，研究人机协作顺应性机制，建立人机协作顺应性调节模型；再次，研究刚柔耦合、人机耦合、运动与动力耦合对人机协作交互动力学的影响，建立满足人机协作顺应性机制的交互动力学模型；最后，通过基于人机协作交互动力学模型的动态自适应柔顺控制实验研究，实现机器人与人的协同作业，验证人机协作顺应性机制与交互动力学模型的有效性。该项目研究将建立人机协作顺应性交互动力学模型，提高人机协作的质量与效率，为共融机器人系统的设计与工业4.0智能生产的研究提供理论支持与实验方法，具有重要的理论意义和应用价值。

随着机器人技术的发展，机器人越来越多地应用到人类生产生活的非结构化环境中。人与机器人协同作业已成为机器人研究领域的热点方向之一。本项目以人机协同作业系统为研究对象，针对人机顺应性协作问题展开研究。项目首先基于人体手臂解剖结构设计了仿人7自由度刚柔耦合串并混联机械臂，并对其关节刚度、运动学求解、工作空间、运动精度进行研究。其次，研究了2自由度刚柔耦合机器人和6自由度协作机器人的动力学建模方法。再次，研究人体手臂运动学和动力学信息预测及人机顺应协作机制，分别研究了人体手臂动作分类识别方法、关节运动角度和速度预测方法、关节力矩预测方法和人机顺应机制。最后，研究了人机顺应协作控制方法，进行了人机协作顺应控制实验。本项目通过三年的研究，设计了仿人7自由度刚柔耦合串并混联机械臂，其关节刚度、工作空间与人体手臂的类似。建立了2自由度刚柔耦合机器人和6自由度协作机器人的动力学模型，为机器人控制提供了准确的模型。提出了改进的线性判别分析方法，提高了人体手臂动作分类识别准确率；提出了连续小波变换和反向传播神经网络组合算法，提高了人体手臂关节运动角度和速度的预测精度；提出了自编码器和反向传播神经网络组合算法，提高了人体手臂关节力矩预测精度；提出了基于人体手臂关节运动信息反馈的人机协作顺应性调节模型和控制框架，提高了人机协作的顺应性和作业效率。通过人机协作实验验证了协作机器人动力学模型、人体手臂运动学和动力学信息预测模型、人机协作顺应控制模型的可行性和有效性。本项目完成时在机器人领域主流期刊发表论文8篇，国际会议论文5篇，申请中国发明专利5件，登记中国软件著作权1项，作为副主编出版机器人领域教材1部。本项目实现了人与机器人的顺应协作，将为人机协同作业系统的设计和研究提供理论支持和实验方法，具有重要的理论意义和应用价值。