面向多自由度仿生手臂的“感联知控”一体化精细操作理论研究

Fine manipulation, service assistive robotics, medical rehabilitation require the development of intelligent sense, fusion, cognition and control, the project shall investigate the integration of sense, fusion, cognition, and control for bionic robot arm, which can reveal the fundamental mechanism of fine manipulation. Through analyzing and integrating multiple information and eliminating of the difference between data structures, time scales, and space dimensions, an unified cognition and control for the external environments can be built up to realize the high fine manipulation for bionic robotic arms. The project develops the methods based on an unified cognition and control for bionic robotic arm. The research shall provide the theory for the manipulation and control and improve the manipulation of bionic robotic arms. Research on basic science problems will provide high-quality, high-precision robotic manipulation for theoretical significance and practical value.

基于面向机器人精细化操作、助老助残服务机器人、医学康复等领域中对仿生手臂的迫切需求，针对感知运动的关键科学问题，提出面向多自由度仿生手臂的“感联知控”一体化精细操作理论研究，揭示触觉、温度、力觉、滑觉、肌电等多源物理信息的感知、融合和仿生控制机理。针对仿生手臂的伸抓动作，通过多源物理信息采集，进行数据融合机理的分析综合，消除不同信息在数据结构、时间尺度和空间维度上的差异，对外部环境形成统一的认识，捕捉人手臂在任务空间和关节空间中力和阻抗控制技能，探索基于运动技能学习的仿生手臂伸抓控制方法，实现仿生手臂对外部环境的分析和对物体伸抓操作。本项目是仿生手臂一体化操作基础研究领域具有原创性的理论探索，该研究的理论和方法将为仿生手臂操作理论研究提供新的思路，并促进机器人仿生假肢和外骨骼机器人操控水平的提高。

我国因意外事故导致的肢体截肢患者及因脑外伤、脊髓损伤以及中风等原因造成的肢体运动功能受损患者的数量庞大，这些患者因运动系统疾病导致其生活和工作能力丧失，已成为不可回避的社会问题。此外，在医疗护理、抗震救灾等环境下，往往要求医护人员或者救援人员能够抱起体态硕大的病人或者携带较大负载在恶劣环境下进行搜救。在这样的背景下逐渐催生了以外骨骼肢体康复机器人、全尺寸假肢以及外骨骼功能强化机器人为代表的仿生肢体的研发需求。.针对面向机器人精细化操作、助老助残服务机器人、医学康复等领域中对仿生手臂的迫切需求，本项目开展了面向多自由度仿生手臂的“感（感知环境）、联（多源物理信息融合）、知（认知计算）、控（仿生控制）”一体化精细操作理论研究，揭示了触觉、温度、力觉、滑觉、肌电等多源物理信息的感知、融合、认知和仿生控制机理。针对仿生手臂的伸抓动作，通过多源物理信息感知，进行数据融合机理的分析综合，消除了不同信息在数据结构、时间尺度和空间维度上的差异，建立认知模型和物理模型的实时数据匹配，对外部环境形成了精确的认识，同时捕捉人手臂在任务空间和关节空间中力和阻抗控制技能，探索了基于运动技能学习的仿生手臂伸抓控制方法，最终实现了仿生手臂对外部环境的分析和对物体的伸抓操作。项目提出的“感-联-知-控”仿生手臂机器人一体化精细操作理论获取了SCI论文35篇，EI论文7篇，国家发明专利授权8项，实用新型专利授权5项。这些理论和方法为仿生手臂一体化精细操作理论研究提供了新的思路，并促进了机器人仿生假肢和外骨骼机器人操控精细化水平的提高，可以应用到工业机器人精细抓取操作，精密制造装备、超高精度手术机器人、以及助老助残机器人。