人机协作型新一代工业机器人基础研究

With respect to the next generation human-collaborated industrial robots (HC-IR), this project focus on the following four fundamental researches: varying stiffness joint mechanism and its compliance control, human-robot-shared environment modeling and human collaboration intension awareness, real time decision making and control for safe behaviors, as well as mental development based autonomous learning and knowledge-guided active collaboration. This project will establish the general methodology for the HC-IR, and also develop testbed to verify the performance of the proposed techniques by experiments. The developed prototype will be further demonstrated with respect to the application scenarios such as human-robot-collaborated (HRC) disassembly in remanufacturing, and HRC assembly of large equipments.

本项目针对人机协作型新一代工业机器人中所包含的“变刚度关节驱动机构及柔顺性连续调控”、“人-机共享环境建模与人-机合作意图理解”、“人-机共享环境下的行为决策、实时规划与安全协同控制”、以及“自主发育式技能学习及基于知识的人-机协同”等四方面基础科学问题，开展具有原创性的理论方法与技术研究，初步构建人机协作型新一代工业机器人的共性方法体系；研制实验平台系统，全面验证理论方法与技术的可行性和有效性；开发人机协作型新一代工业机器人试验样机，面向“再制造人机互助拆解”和“大型装备人机互助装配”等典型使命，开展应用示范。本项目研究将为新一代工业机器人提供理论指导和关键技术支撑，为后续产品样机及装备研制奠定基础；同时，作为共性使能技术，本项目研究成果对于其它领域的新一代机器人，如医疗康复机器人、可穿戴行为辅助机器人等，也具有重要的方法与技术引导作用。

本项目针对人机协作型新一代工业机器人中所包含的“变刚度关节驱动机构及柔顺性连续调控”、“人-机共享环境建模与人-机合作意图理解”、“人-机共享环境下的行为决策、实时规划与安全协同控制”、以及“自主发育式技能学习及基于知识的人-机协同”等四方面关键科学技术问题，开展了具有原创性的理论方法与关键技术研究。首先。提出采用阿基米德螺旋线平面涡卷弹簧作为柔性元件，构建协作型机器人关节串联弹性驱动器；并进一步提出了一种柔性关节等效刚度直接调控方法，实现了机器人关节固定机械柔性与可控柔性的融合，为解决变刚度关节驱动机构及其柔顺性连续调控问题提供了一种解决方案。其次，提出了一种基于深度图像与三维栅格离线映射的机械臂环境建模方法，以及一种基于 TLD 算法的手势识别与跟踪方法，初步实现了机器人对人合作意图的理解，为实现人-机共享环境建模与人-机合作意图理解提供了一条可行的技术途径。第三，针对机械臂“整臂”避碰问题，提出了一种环境模型在线更新与分割方法，可以实时获得任意形状障碍物与机械臂本体的最近点；以及一种冗余机械臂在运动约束条件下在线求解逆向运动学的方法，从而实现了机械臂在动态环境下的整臂避碰。同时，基于阻抗控制与机械臂动力学模型相结合，实现了机械臂关节柔顺控制、末端人手牵引、碰撞检测及安全保护等功能。第四，提出一种基于强化学习和自适应核扩展模型的增量式自主学习方法，通过机器人与环境交互，实现机器人行为规则的自主学习；同时，采用自适应核扩展模型实现知识的不断更新累积，为机器人自主发育式技能学习提供了一种解决方案。本项目基于KUKA-IIWA机械臂研制出协作机器人控制技术验证平台，全面验证了所提方法技术的可行性和有效性；开发出一种7自由度人机协作型工业机器人功能样机，并实现了协作型机械臂在工业涂胶、航天机器人宇航员样机、以及关节置换手术中的示范应用。本项目全面完成了任务书规定的研究内容与指标。