基于仿人行为的快速连续反应-高避障灵巧臂轨迹规划与控制

Trajectory planning and control of dexterous arm with seven degrees of freedom(7-DOF) is a hot research topic because of its important role in the field of humanoid robot. It is also one of the key problems to be solved during the process of humanoid robot towards its practical application. Currently there have been some results about the trajectory planning and control algorithms of the dexterous arm, but the shortcomings of low real-time and weak control adaptability in rapidly continuous response operations still exist. This project imitates the human behavior mechanisms that the human arm operates with rapid succession response on high-speed objects. Aiming to the problem of high real-time operation, obstacle avoidance, and the reaction optimization etc,the trajectory planning of dexterous arm for high-speed object is transformed into the trajectory parameterization optimization problem.Then a kind of trajectory parameterization method of dexterous arm based on similarity optimal of imitation human natural configuration & posture, and a kind of trajectory parameterization method of dexterous arm's humanoid motion based on the reaction optimization on the carrier are researched in this project. Through learning and evolving continuously knowledge database of dexterous arm is built to realize rapid succession response operation. In addition, by imitating the movement control mechanism and the adaptive characteristics of human arm, the dexterous arm joint position control method that combines feedforward and neural network adaptive feedback control is researched to realize trajectory tracking control with high-performance. This project research can provide a new idea for other robot-related research in this field, and also has important practical significance on promoting the application of humanoid robots.

七自由度灵巧臂轨迹规划与控制技术因其在仿人机器人领域中重要地位一直是一研究热点，它也是仿人机器人走向实际应用要解决关键问题之一。目前灵巧臂轨迹规划及控制方法已有一些成果，但在快速连续反应作业中还存在实时性低、运动控制适应性较弱等问题。本项目借鉴人体手臂对高速物体快速连续反应作业的行为机制，针对作业高实时性、避障及对载体反作用优化等问题，将灵巧臂对高速物体作业轨迹规划问题转化为轨迹参数化优选问题，研究一种仿人自然构形姿态相似性最优的灵巧臂轨迹参数化方法，和对载体反作用优化的灵巧臂仿人作业轨迹参数化方法，通过学习构建"知识"数据库并进化实现灵巧臂快速连续反应作业。同时借鉴人体上肢运动控制机理及其适应特性，研究一种前馈和神经网络自适应反馈控制相结合的柔性关节位置控制方法，实现灵巧臂高性能轨迹跟踪控制。本项目不仅为其它机器人相关领域研究提供一种新思路，而且对推动仿人机器人实际应用具有重要现实意义。

七自由度仿人臂轨迹规划与控制技术因其在仿人机器人领域中重要地位一直是一研究热点，它也是仿人机器人走向实际应用要解决关键问题之一。目前机械臂运动控制方法研究已有一些成果，但在面向高速运动物体的快速连续反应作业中存在有动作实时性低、运动控制适应性弱等问题。针对冗余仿人臂在作业过程中存在的问题与挑战展开本课题研究并取得如下成果：. 首先，分析人体手臂生理特点及结构，剖析人体对高速物体作业训练过程中学习储存“知识”及不断进化以适应作业环境的行为机制，研究确定了仿人臂作业“知识”数据库需存储信息构成。其次，分别提出冗余仿人臂逆运动学问题基于全局数值优化与基于几何-数值相结合求解方法、一种并联机器人的正运动学求解方法，解决了机器人机构运动学问题。接着，借鉴人体手臂对高速物体快速连续反应作业的行为机制，针对作业过程中的高实时性、障碍约束等问题，提出冗余仿人臂快速连续反应-避障作业环境下的轨迹规划方法，该方法将仿人臂对高速物体作业轨迹规划问题转化为轨迹参数化优选问题，通过构建“知识”库方式实现仿人臂的快速连续反应作业。而后，又提出了冗余仿人臂一种基于最小加速度的轨迹优化方法，以减少仿人臂快速作业过程中对本体的反作用与扰动。接着，基于人臂作业的运动特性，提出了冗余仿人臂面向高速运动物体作业的多目标轨迹规划方法，使机器人的动作更符合于人臂作业方式进行动作。此外，提出柔性仿人臂关节一种自适应柔顺位置控制方法，实现机械臂精确的位置轨迹跟踪能力。最后，搭建一套8-DOF仿人臂(带腰关节)快速连续反应作业试验系统平台，完成相应软件开发进行相应验证。 . 在本项目资助下，课题研究培养了副教授1名，博士后1名，发表11篇SCI/EI收录学术论文，其中SCI期刊检索3篇，EI检索8篇，包含其中的一级学报刊物3篇；授权国家发明专利1项，公示发明专利1项，指导在读研究生4名。