被动型仿人舞伴机器人与人类舞蹈者的协调运动研究

对被动型舞伴机器人与人在直接接触下跳舞时的协调运动进行研究，研究内容包括：1）对交谊舞舞步、舞步转换规则建模，根据交谊舞的特征设计机器人，考虑动力学可操作性、可控性对其结构进行优化。2）针对机器人缺少主动驱动元件这一被动性特点，引入辅助力并提出机器人运动控制算法。3）提出人-机器人在直接身体接触下的协调运动控制算法，以实现类似人类舞蹈时的协调运动。4）用隐马尔科夫模型实现机器人对人类舞蹈者舞步的识别，以实现更高层次的主动协调运动。5）提出环境识别算法，避免机器人与周围舞蹈者相撞。随着机器人进入家庭、医院及服务场所等，机器人的安全性问题越发突出，本文提出的被动型机器人的概念能够为这一问题提出一个新的解决方向。所提出的主动协调算法能够使机器人根据周围环境信息主动运动，实现人和机器人的高度协调工作，提高与人共存的可能性。本项目的研究成果会较大的促进机器人与人类共存的发展，促进机器人进入人类生活。

人机协作被认为是机器人辅助人类工作的一种可行方式，并已成为当前机器人研究的热点，但研究中往往忽略了机器人的安全性问题，在有直接身体接触下的人机协作系统中安全性问题显得尤为突出。本项目提出用被动机器人从根本上保障协调中的安全性，以协调性要求比较高的机器人和人共同舞蹈为背景，进行人和机器人间的协调性研究。本项目系统地研究了被动机器人的设计方法、控制算法及如何实现被动机器人的主动协调能力。完成的主要工作有：.1 为了设计舞伴机器人，建立了交谊舞模型，并提出一种全向被动式结构。本项目从两方面建立被动机器人的设计方法，一方面机器人驱动力来自于人，结构设计中考虑了如何既满足舞步运动空间要求又能最小化对人产生的阻力，另一方面，所提被动结构具有随动制动和全向移动的能力，采用动力学可操作性优化了结构参数以使机器人具备最好的控制能力。.2 针对根据控制律得到的期望力不一定能被被动机器人实现的问题，提出了可控制动力/力矩的概念，并阐述了机器人运动状态与制动力/力矩和可控制动力/力矩的关系，进而提出了一种结合人的辅助力的被动机器人随动控制算法。.3 针对被动型舞伴机器人自身无驱动力的特点，论证了常规基于非时间参考的路径跟踪算法不再适用于该机器人，并提出一种基于非时间参考的路径跟踪算法。分析了待跟踪舞步的取得方法，确定了非时间参考量，建立了全向移动舞伴机器人的定位模型，提出一种快速的几何正交投影算法，用以确定期望位姿对应的非时间参考量。通过阻抗模型建立了舞蹈者对机器人的作用力与机器人期望阻抗间的关系，并结合机器人动力学模型得到了基于非时间参考的路径跟踪控制器，通过两组典型舞步跟踪实验验证了算法的有效性。.4 用隐马尔科夫模型实现机器人对人类舞蹈者舞步的识别，以实现更高层次的主动协调运动。.5 为了进一步提高被动机器人的主动协调能力，提出了机器人对男性舞蹈者的舞步识别算法。实验结果证明该意图识别算法成功率较高。