基于生物物理学的仿人机械臂拟人化运动控制研究

随着人机交互技术的不断成熟和广泛应用，特别是服务型机器人的商品化，机器人的仿人性能成为了机器人设计和控制的新要求。机器人通过模仿人类行为特征，既可以给人类使用者营造安全舒适的合作环境，也可以进一步提高人机合作的效率。本文主要研究基于生物物理学的仿人机械臂的模型构建和运动规划问题，目标是使机械臂模仿人臂运动规律完成一般运动。首先以人臂为研究对象，结合生物物理学的研究成果，研究人臂运动规律的形成机理和关节运动的冗余度分解。以此为基础，对仿人机械臂进行构型和尺寸综合。而后借鉴心理学相关研究，提出一种"目标臂姿"的假设。最后在此基础上，建立自运动变量控制方程，研究考虑来自人体和人臂自身的不等式约束条件下的多指标、多运动优先级的控制算法，并进行仿人机械臂虚拟样机和物理样机的拟人化运动控制实验研究。本课题将冗余度机器人学和生物物理学相结合，紧随国际机器人研究的发展方向，具有一定的创新性。

随着人机交互技术的不断成熟和广泛应用，特别是服务型机器人的商品化，机器人的仿人性能成为了机器人设计和控制的新要求。机器人通过模仿人类行为特征，既可以给人类使用者营造安全舒适的合作环境，也可以进一步提高人机合作的效率。本项目主要研究基于生物物理学的仿人机械臂的模型构建和运动规划问题，目标是使机械臂模仿人臂运动规律完成一般运动。首先从人体解剖学的角度出发，分析人臂的运动机理，并结合人体测量学和机器人学相关原理构建了六种不同的仿人机械臂构型。根据人臂的运动特性分析人臂的运动工作空间，将各构型仿人机械臂工作空间与其对比，从而筛选出串联方式下的最佳仿人机械臂构型。其次，提出了"目标臂姿"假说对人臂运动规律进行解释，并基于该假说提出了三阶导层面的逆运动学算法，进行机械臂仿人达点运动规划。接着，为了确定自然的目标臂姿，利用最小总势能原理和关节舒适度，对人臂臂姿的选择机理进行了解释，并提出了变系数扭簧模型来描述储存在肌肉里的弹性势能。基于该机理和等效模型，分别建立了达点和抓持任务中的人臂冗余度分解指标，通过优化该指标即可得到不同任务下自然的人臂臂姿。而后，利用梯度投影法和快速扩展随机树算法，分别提出了有障碍和无障碍环境中的机械臂仿人达点运动规划策略。此外，还提出了一种新的基于采样的优化算法，进行机械臂仿人抓持运动的规划。最后进行了大量的实验研究，将规划得到机械臂仿人运动与运动捕捉系统采集到的真实人臂运动进行比较，验证了新指标、新算法的有效性。