擬人雙臂機(jī)器人符合人類對機(jī)器“人”的認(rèn)知,它具有軀干并配置兩條像人類一樣靈活的冗余機(jī)械臂,利用其雙臂協(xié)調(diào)特點(diǎn)既可以代替人類在特殊環(huán)境下作業(yè),又可以在日常環(huán)境中實(shí)現(xiàn)與人類共融。視覺是常見的機(jī)器人外部傳感器,通過視覺采集復(fù)雜環(huán)境信息可以提高雙臂機(jī)器人的環(huán)境適應(yīng)能力。另外,示教學(xué)習(xí)可以使機(jī)器人從人類示教數(shù)據(jù)中獲得操作技能,實(shí)現(xiàn)與人協(xié)作,動作模仿,進(jìn)而提高雙臂機(jī)器人的人機(jī)交互能力以及自主學(xué)習(xí)能力。本論文圍繞雙臂協(xié)調(diào)操作展開研究,引入視覺伺服和示教學(xué)習(xí)方法來提高雙臂機(jī)器人操作能力,推動雙臂機(jī)器人智能化發(fā)展。重點(diǎn)解決雙臂操作中環(huán)境和控制模型不確定,雙臂協(xié)調(diào)特征學(xué)習(xí)等問題。主要研究內(nèi)容如下:在雙臂機(jī)器人非對稱協(xié)調(diào)操作中,基本的任務(wù)目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)兩個操作物位姿對齊。在工業(yè)裝配場合,操作物的位姿信息是已知的,然而在其他多數(shù)應(yīng)用場合下操作物的位姿信息是未知的。本研究提出一種基于圖像視覺伺服的雙臂自主定位方法來通過手眼協(xié)調(diào)方式實(shí)現(xiàn)操作物位姿對齊。將協(xié)調(diào)任務(wù)分為操作物位姿預(yù)對齊和對齊兩個階段。在第一階段,采用場景攝像機(jī)觀測雙臂末端特征,結(jié)合非對稱協(xié)調(diào)約束與射影空間模型,推導(dǎo)視覺空間路徑規(guī)劃算法獲得雙臂末端特征的期望軌跡,并采用任務(wù)函數(shù)法進(jìn)行軌跡跟蹤控制實(shí)現(xiàn)操作物位姿預(yù)對齊。在第二階段,通過場景和手眼攝像機(jī)同時觀測操作物位姿特征,建立操作物視覺位姿約束,推導(dǎo)多任務(wù)圖像雅克比實(shí)現(xiàn)操作物位姿對齊。采用雙臂機(jī)器人平臺,通過兩個典型雙臂非對稱協(xié)調(diào)任務(wù)來驗(yàn)證提出方法的有效性。雙臂機(jī)器人執(zhí)行對稱協(xié)調(diào)操作時,任務(wù)目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)操作物的軌跡跟蹤。當(dāng)雙臂末端對操作物的抓取位置精確已知時,雙臂末端可以驅(qū)動操作物實(shí)現(xiàn)軌跡跟蹤。然而,當(dāng)操作物抓取位置存在偏差時,將無法實(shí)現(xiàn)操作物軌跡跟蹤。本研究提出了基于自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)視覺伺服的雙臂自主跟蹤方法來實(shí)現(xiàn)抓取位置存在偏差情況下的操作物軌跡跟蹤,通過徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償由操作物抓取位置導(dǎo)致的圖像雅克比不確定量。另外,由于機(jī)械臂冗余自由度的存在,雙臂對稱協(xié)調(diào)運(yùn)動會產(chǎn)生關(guān)節(jié)角度漂移現(xiàn)象,通過對偶神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來求解二次規(guī)劃問題進(jìn)而優(yōu)化冗余閉鏈運(yùn)動來抑制關(guān)節(jié)角度漂移。采用雙臂機(jī)器人平臺,通過兩個典型的對稱協(xié)調(diào)任務(wù)來驗(yàn)證提出方法的有效性。在人機(jī)協(xié)作任務(wù)中機(jī)械臂末端需要跟隨人類手部的位置與接觸力變化。末端執(zhí)行器與手部之間存在位置約束和力約束,然而這種位置/力約束通常是依靠經(jīng)驗(yàn)給定的,這使得機(jī)械臂難以實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)、安全的協(xié)調(diào)操作。本研究提出基于人臂協(xié)作特征學(xué)習(xí)的人機(jī)協(xié)作方法,通過觀測和學(xué)習(xí)人類雙臂操作數(shù)據(jù),獲得可變的位置/力約束,也就是人類雙臂協(xié)作特征。建立人機(jī)協(xié)調(diào)阻抗模型將人臂協(xié)作特征應(yīng)用于機(jī)械臂控制中。采用機(jī)器人平臺,通過機(jī)械臂與人類手臂進(jìn)行協(xié)作搬運(yùn)任務(wù)來驗(yàn)證提出方法的有效性。對于雙臂協(xié)調(diào)運(yùn)動,兩個機(jī)械臂末端服從位姿協(xié)調(diào)約束,雙臂關(guān)節(jié)空間服從運(yùn)動學(xué)約束。然而這兩種約束通常依靠經(jīng)驗(yàn)給定的,這使得雙臂機(jī)器人在笛卡兒空間難以實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)地協(xié)調(diào)運(yùn)動,在關(guān)節(jié)空間難以實(shí)現(xiàn)自然地運(yùn)動。本研究提出了基于人臂協(xié)調(diào)特征的擬人雙臂運(yùn)動方法。使用體感攝像機(jī)獲取人類雙臂運(yùn)動數(shù)據(jù),采用基于深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的人臂末端姿態(tài)估計(jì)方法獲得人臂示教數(shù)據(jù)。采用主成分分析將示教數(shù)據(jù)映射到特征空間,建立學(xué)習(xí)模型對人類雙臂的臂內(nèi)和臂間協(xié)調(diào)特征進(jìn)行提取。將協(xié)調(diào)特征進(jìn)行相似性測量,并建立特征空間冗余機(jī)械臂運(yùn)動學(xué)約束以及雙臂協(xié)調(diào)約束,推導(dǎo)雙臂擬人協(xié)調(diào)運(yùn)動方程重建雙臂擬人協(xié)調(diào)運(yùn)動。采用雙臂機(jī)器人平臺,通過雙臂模擬傾倒和模擬搬運(yùn)等兩類實(shí)驗(yàn)任務(wù)來驗(yàn)證提出方法的有效性。
【學(xué)位單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TP242
【部分圖文】：

臂機(jī)器人示例如圖 1-1 所示，通常由兩個單機(jī)械臂組成，并且機(jī)械臂的尺人類手臂相差較大，機(jī)械臂基座固定的位置也各有差異，這是因?yàn)樗鼈冃钁?yīng)用于特定的環(huán)境中。如圖 1-1(a)所示，兩個 ABB 工業(yè)機(jī)械臂被固定在生的兩側(cè)，進(jìn)行鼠標(biāo)裝配操作。圖 1-1(b)中 Dextre 空間機(jī)器人的兩個尺寸巨機(jī)械臂被固定空間站兩側(cè)，用來進(jìn)行在軌維護(hù)等任務(wù)。圖 1-1(c)中的蛟龍兩個機(jī)械臂被固定在探測倉前端，用于海底表面的樣本采集。特別地，在 2通過機(jī)械臂將五星紅旗插入中國南海海底 3759 米表面。圖 1-1(d)中 Euro星探測車前端裝有兩個機(jī)械臂用來采集地表樣本。(a) ABB 機(jī)器人進(jìn)行裝配操作 (b) Dextre 進(jìn)行空間搬運(yùn)操作(a) ABB robot for assembly manipulation (b) Dextre for space carrying manipulation

因此研究者不太關(guān)注操作行為的擬人化，而重點(diǎn)關(guān)注以任務(wù)為(Task-orientation)的機(jī)器人自主地實(shí)現(xiàn)末端執(zhí)行器定位任務(wù)，跟蹤任務(wù)以及任務(wù)[9]。在人類環(huán)境中作業(yè)的雙臂機(jī)器人示例如圖 1-2 所示，它們均配置與人類尺寸相當(dāng)，結(jié)構(gòu)相似的雙冗余機(jī)械臂，并帶有軀干和頭部，這是因?yàn)樗鼈儽挥糜谌祟惌h(huán)境中。圖 1-2(a)中 Robonauts2 空間宇航機(jī)器人進(jìn)行典型的繩定操作任務(wù)。圖 1-2(b)中 PR2 機(jī)器人在進(jìn)行疊毛巾操作任務(wù)。(a) Robonauts2 進(jìn)行繩索固定操作 (b) PR2 進(jìn)行疊毛巾操作(a) Robonauts2 for rope fixed manipulation (b) PR2 for fold towels manipulation

了使機(jī)器人能夠在非結(jié)構(gòu)環(huán)境中自主操作，必須使它們具備適應(yīng)力。在非結(jié)構(gòu)環(huán)境中，單純地依靠外部傳感器控制，手動規(guī)劃機(jī)式是無法實(shí)現(xiàn)自主的，因?yàn)椴豢赡茴A(yù)知機(jī)器人可能遇到的每一種器人學(xué)習(xí)研究就是通過離線對人類運(yùn)動過程進(jìn)行觀測并分析，通得運(yùn)動技能。另外，仿人形機(jī)器人具有兩個類人結(jié)構(gòu)的冗余機(jī)械一樣完成復(fù)雜的操作任務(wù)。與工業(yè)應(yīng)用場合不同，仿人形機(jī)器人境中，這就需要機(jī)器人不僅要完成任務(wù)目標(biāo)，更重要的，在任務(wù)現(xiàn)類人特性[54]。對于示教學(xué)習(xí)(Learning From Demonstration，LFD作為演示者，機(jī)器人作為學(xué)習(xí)者，這是賦予機(jī)器人類人特性的最佳文獻(xiàn)中，將機(jī)械臂通過分析人類操作數(shù)據(jù)所學(xué)到的知識稱為技能獲圖 1-4 所示，示教學(xué)習(xí)是特指人類手臂運(yùn)動參與機(jī)器人學(xué)習(xí)過程習(xí)方法。通過機(jī)器學(xué)習(xí)方法，建立學(xué)習(xí)模型，使得機(jī)器人可從示并獲得所需運(yùn)動特征或是操作特征，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的擬人化操心研究是策略（policy）的推導(dǎo)[56]，這里的策略是一種人類演示數(shù)作的映射，這種映射可以是簡單的人臂與機(jī)械臂的運(yùn)動構(gòu)型映射過特征空間分析并處理的抽象映射。
【相似文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 郭小寶;趙振;黃偉;賈志聞;;飲料生產(chǎn)線碼垛機(jī)器人的設(shè)計(jì)原理[J];裝備機(jī)械;2018年02期

2 許衛(wèi)斌;平雪良;應(yīng)再恩;杜永忠;李正洋;;6R型串聯(lián)機(jī)器人工作空間快速求解方法[J];機(jī)械設(shè)計(jì);2013年06期

3 段齊駿;機(jī)器人工作空間配置的可靠性規(guī)劃[J];機(jī)械科學(xué)與技術(shù);2004年02期

4 鐘勇,朱建新;一種新的機(jī)器人工作空間求解方法[J];機(jī)床與液壓;2004年04期

5 楊德榮,馮宗律;機(jī)器人工作空間快速可靠數(shù)值算法[J];機(jī)器人;1990年02期

6 王興海,周迢;機(jī)器人工作空間的數(shù)值計(jì)算[J];機(jī)器人;1988年01期

7 徐禮鉅,姚進(jìn);機(jī)器人尺度綜合的一種方法[J];機(jī)器人;1988年02期

8 陳懇,林建亞,路甬祥;機(jī)器人的自適應(yīng)控制系統(tǒng)[J];機(jī)器人;1988年03期

9 郭明,周國斌;多關(guān)節(jié)機(jī)器人工作空間的分析與評價方法[J];機(jī)器人;1988年04期

10 陳國欣,李誠琚;計(jì)算機(jī)繪圖在機(jī)器人工作空間分析中的應(yīng)用[J];機(jī)器人;1988年05期

相關(guān)博士學(xué)位論文 前10條

1 吳鴻敏;非參數(shù)化貝葉斯模型的機(jī)器人多模態(tài)感知與學(xué)習(xí)[D];廣東工業(yè)大學(xué);2019年

2 曲家迪;基于視覺的擬人雙臂機(jī)器人自主協(xié)調(diào)操作研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2019年

3 楊劍;群機(jī)器人隊(duì)形控制及協(xié)同搜索方法研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2018年

4 陳賽旋;協(xié)作機(jī)器人零力控制與碰撞檢測技術(shù)研究[D];中國科學(xué)技術(shù)大學(xué);2018年

5 梁樂;黏性橡膠拆垛機(jī)器人軌跡優(yōu)化及控制研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2018年

6 牟宗高;面向狹小空間作業(yè)的超冗余機(jī)器人軌跡規(guī)劃及控制研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2017年

7 王貴飛;基于義齒磨損性能測試的冗余驅(qū)動咀嚼機(jī)器人技術(shù)研究[D];大連理工大學(xué);2018年

8 曾遠(yuǎn)帆;基于空間相似性的工業(yè)機(jī)器人定位精度補(bǔ)償技術(shù)研究[D];南京航空航天大學(xué);2017年

9 楊聚慶;面向智能制造的機(jī)器人位姿誤差動態(tài)修正技術(shù)研究[D];北京工業(yè)大學(xué);2018年

10 王玉金;閉鏈弓形五連桿機(jī)器人翻滾運(yùn)動生成研究[D];華中科技大學(xué);2018年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前10條

1 李昊;面向復(fù)雜曲面葉片的機(jī)器人接觸式原位測量技術(shù)[D];華中科技大學(xué);2019年

2 李金燦;基于視覺反饋的機(jī)器人控制算法研究[D];杭州電子科技大學(xué);2019年

3 潘安邦;基于ROS的Delta機(jī)器人運(yùn)動仿真與實(shí)驗(yàn)研究[D];河南科技大學(xué);2019年

4 陳煉;剛?cè)狁詈蠙C(jī)器人系統(tǒng)終端精度保證及站位規(guī)劃研究[D];電子科技大學(xué);2019年

5 曾鋒;基于機(jī)器人的洗碗機(jī)內(nèi)膽裝配線的設(shè)計(jì)與仿真[D];江西理工大學(xué);2019年

6 尹一伊;建筑機(jī)器人標(biāo)定及運(yùn)動特性研究[D];蘇州科技大學(xué);2019年

7 康宏斌;基于視覺的工業(yè)機(jī)器人幾何參數(shù)標(biāo)定[D];西南科技大學(xué);2019年

8 林賀邦;集裝箱裝車機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化[D];廣州大學(xué);2019年

9 蔣育君;裝車機(jī)器人的規(guī)劃與控制系統(tǒng)開發(fā)[D];廣州大學(xué);2019年

10 楊一帆;基于阻抗控制的弱剛性構(gòu)件雙機(jī)器人協(xié)同磨拋技術(shù)研究[D];華中科技大學(xué);2019年

本文編號：2892896