微操作中的人因特性及人机系统性能评价与优化方法研究

The theory and technology of the micro-operation and its system is currently a hot topic in the field of micro-nano and robotics. As the center, the state and decision-making of the operator related to the success and efficiency of micro-operations. Through practices of operating micro objects with the size of sub-millimeter or micron, the project aims at revealing the human characteristic of the operator in the micro-operation, and resolving some basic problems such as modeling the process of the operator's perceiving, decision-making and controlling and its failure mechanism in the micro-operation. On this basis, focusing on the goal reducing the operator's work load and enhancing the micro-operation quality, the project mainly studies some key problems, including the mechanism evading the human failure based on robot anthropomorphic decision-making, the description and prediction criteria on the micro-operation quality of human-robot system, and the optimization and online adjustment strategy on the structure and parameters of the human-robot system based on human-robot closed-loop, human-robot interaction, and human-robot cooperation. In this way, the evaluation and optimization method based on the operator's human characteristics is set for the micro-operation quality of human-machine system.

微操作及其系统的理论和技术是当前微纳和机器人领域的研究热点。遥操作是现有微操作系统的主要形式，操作者在遥微操作中处于中心地位，其行为和状态关系到人机系统的性能，影响着微操作的效率及品质。 项目通过亚毫米和微米级零件的微装配实践，研究操作者在微操作中的功能状态评价与变化规律、感知、决策及控制过程的行为模型、人因差错及其风险预测等基础问题，建立操作者在微操作中的人因特性。将操作者的人因特性引入到系统的性能评价与优化中，从人机交互的角度，研究现有微操作系统人机界面的结构和布局的优化与在线调整方法，以改善操作者在微操作中的人因特性；从人机闭环的角度，建立微操作人机系统动态性能的评价准则，重点研究机器人结构及参数的优化和在线调整方法，以提高人机系统的微操作品质。

微操作技术与微操作机器人是近年来MEMS和机器人领域的研究热点，操作者参与的遥操作方式是目前微操作的主要形式。本项目旨在改善操作者生理负荷、提升微操作的综合效率，以建立操作者在微操作中的人因特性为基础，研究微操作机器人在线预测、辅助决策、自动操作以及系统优化等内容。.项目通过获取操作者在微操作中的主客观评价，并结合微操作机器人及其人机通道配置与布局、微操作任务的复杂度和精细度等属性，研究操作者在微操作中的人因特性。建立了操作者在微操作中视觉、心理和身体局部肌肉的疲劳度评价体系及其评价模型。.项目以操作者疲劳度评价为基础，基于贝叶斯推理和D-S证据理论，建立了操作者在微操作中人因失误的概率化评价方法，实现了机器人对操作者人因失误的在线估计。.项目提出了基于角度和距离图像特征的视觉伺服控制策略，建立了基于操作者视点的机器人辅助定位与辅助操作策略，并开发了一种面向微操作的人眼视点检测与跟踪设备。实现了5mm*5mm视场的快速细分与趋近、1mm*1mm范围微目标的识别与定位，操作精度可达5个像素的机器人辅助操作。.项目针对该机器人系统界面优化与自动化操作，建立了微操作空间显微图像序列的获取方法，提出了基于SURF算法和序列区域的全局显微图像的混合拼接策略及其修正算法。实现了5cm*5cm操作空间中分辨率优于5um的全局操作空间的获取，耗时少于1s。.项目以相关研究成果和微操作实践为基础，优化和完善了具有双手协调结构和宏微复合视觉的微操作机器人系统，研制了包括基于真空吸附、压电效应的多种末端执行机构。进而，通过该机器人系统开展诸如MEMS光开关装配中的光纤对接、微型马达焊接中的引线、靶球装配等微操作实践，对项目所提出方法的可行性和有效性进行验证，取得了实验室条件下的初步结果。