空间站复杂环境中基于零空间描述的人机协作机械臂自然交互研究

Aiming at that robonaut assists astronaut in carrying out on-orbit repair tasks in the space station. It is of great significance to research the natural interaction planning method of seven degrees of freedom human-robot collaboration manipulators in the sharing workspace for realizing the autonomous control of robonaut and promoting the development of advanced cooperative robotic technology of our country. This project is based on the teleoperation system of robonaut, the complete description of null space and the avoiding obstacle mechanism of human arm are introduced into the natural interaction planning between the manipulator and the human arm in the complex environments, realizing a two-layer human-like natural interaction motion planning framework that includes the human-like path planning in the task space and the human-like arm configuration planning in the null space. Research on the complete description of null space under joint limit and collision constraints, the two-layer human-like motion planning in the complex environments, the unsupervised online human arm motion recognition and prediction and the real-time safety path planning in dynamic environments are carried out to overcome the problems of the existing planning methods, such as the trajectories of manipulator are not natural in the human-robot interaction, and the ability to deal with constraints is limited. Therefore, the robonaut arm will be endowed with the abilities of human-like autonomous interaction in the complex space station environments and human-robot collaborative cases, promoting the autonomous operation and human-robot interaction ability of the robonaut extremely.

针对机器人宇航员在空间站内协助宇航员进行在轨维护试验任务，研究其装备的七自由度人机协作机械臂在共享工作空间下自然交互规划方法，对实现机器人宇航员的自主控制和促进我国先进共融机器人技术发展具有重要科学意义。本项目以前期搭建的机器人宇航员遥操作系统为基础，将零空间完整描述和人臂避障运动机制引入复杂环境下机械臂与人臂的自然交互规划中，构建包含“任务空间拟人安全路径规划”和“零空间拟人臂构型规划”的双层交互规划方法。对关节限位和碰撞约束下零空间的完整描述、复杂环境下的拟人双层运动规划、基于在线学习的人臂运动识别和预测以及动态环境下机械臂的实时安全路径规划等关键科学问题进行研究。以解决人机交互中机械臂生成轨迹不自然，处理约束能力有限等实际问题。本项目将赋予机器人宇航员臂在复杂的空间站环境中和宇航员协作时像人臂一样的自主交互能力，极大地提高机器人宇航员自主控制和人机交互程度。

针对机器人宇航员在空间站内协助宇航员进行在轨维护试验任务，本项目以机器人宇航员为平台，零空间完整描述为突破点，研究人臂避障和协作时的运动机理，以及人机协作机械臂在空间站复杂环境下和宇航员协作时的自然交互问题，使机器人宇航员更容易适应空间站的工作环境,满足辅助宇航员完成空间站各种在轨维护任务的需求，对实现机器人宇航员的自主控制至关重要，也对促进我国仿人机器人核心高性能单元技术和先进共融机器人技术发展具有重要意义。 本项目研究了七自由度仿人机械臂在关节限位和碰撞约束下零空间的完整描述方法，提出了基于零空间描述的冗余机械臂末端轨迹有效性判断方法；搭建了基于红外的人臂运动捕捉系统，完成了人臂关键位置运动数据的采集，提出了基于高斯混合模型的人臂运动识别模型，揭示了人臂运动规划机理。针对空间站复杂环境，本研究提出了双层快速扩张树的七自由度仿人机械臂拟人无碰撞路径规划方法，该方法构建“任务空间的无碰撞路径规划”与“零空间的无碰撞拟人臂构型”的双层安全运动规划结构，解决现有冗余机械臂无碰撞路径规划方法缺乏有效的多约束条件下解析逆运动学算法、只适用于关节空间规划无法同时保证末端路径和臂构型优化等问题，从而赋予仿人机械臂在复杂的环境下像人臂一样的探测障碍物和安全运动规划能力，避免碰撞的发生；针对与宇航员协作任务，提出了基于循环神经网络的人臂短时间运动预测模型，结合迭代重规划，将拟人双层避障运动规划方法扩展到动态环境下实时避障运动规划，实现人机自然交互，解决了人机交互中机械臂生成轨迹不自然，处理约束能力有限等实际问题；最后，搭建了仿人双臂机器人平台，进行人机协作机械臂自然交互规划方法的试验验证并建立基于虚拟现实的三维图形仿真软件。本研究的成果也适用于在家庭环境中仿人机器人与家庭成员的人机自然交互规划，具有广泛的应用价值和前景。