科创中国

       （一）主要科技创新        1.项目背景及总体思路        长期以来，人类一直希望有一款代替品能够代替自身进入危险重重的操作现场对危险品进行操作。特别是在军事应用领域等高危环境，例如核辐射环境、高危害性液体操作等，对于无人遥控操作的需求更为紧迫。机器人就目前的情况来看具有极大的可能实现这一梦想。虽然当前人工智能迅猛发展，但是在完全支持机器人应对复杂危险环境的能力仍存在一定局限性。例如在一些危险环境中，对于随时可能发生的突发状况，机器人在操作现场的随机应变能力存在不足，仍需要人的经验知识进行决策决断。根据这一现实需求，本课题基于穿戴式信息采集装置，采用人机互融远程控制操作理念，设计并研发一款能够实现远程操作、完成各种复杂动作且适应多种环境的特种移动平台以及一套可以在野外高精度采集不同使用者位置与姿态信息的主端外骨骼式惯性位姿捕获系统。        围绕这个中心任务，本课题研究了以下相关的关键技术：        （1）人机互融遥操作基本原理分析与系统设计        首先，按照平台工作性能指标和人机互融遥操作的要求，结合人体工程学的相关标准，构建多维人机交互遥操作控制端。其次，结合机械臂运动及控制基本原理，完成机械臂远程可移动操作平台方案设计，搭建以硬件、传感器、执行机构以及通讯网络为支撑的系统架构，实现“采集—传输—控制—反馈”的控制回路以及轮式无人智能平台的远程控制，达到“人在回路”实时控制的效果。        （2）主端外骨骼式惯性人体位姿捕获系统研究        首先，根据人体手臂运动时关节、骨骼的变化，对人体的运动学机理进行分析，确定运动的类型及相对位置关系。其次，根据人体运动学分析结果，建立对应的D-H参数模型，确定需要采集的数据，之后利用Matlab对模型进行正运动学分析，验证模型的合理性，并且结合手臂的运动学分析决定所采用传感器的类型、数量及布局，最后对主端采集系统运动学参数在线辨识技术进行研究以满足不同使用者的需求，提升位姿捕获精度。        （3）人机互融遥操作从端轮式无人智能平台运动学研究        根据低成本、易推广、高可靠的原则，选取市场上成熟的四轮移动平台、工业机械臂、灵巧手作为从端执行装置，构建其运动学模型，确定模型参数。之后利用Matlab对模型进行正运动学分析，通过蒙特卡洛仿真获取从端执行机构的理论运动空间，从而验证平台的工作性能。        （4）遥操作系统主从映射与轨迹规划研究        依据主从端运动学模型，构建主从异构的运动映射模型，具体为在从端主控板上将主端通过通信网络传输的笛卡尔坐标系下的人体手臂位置姿态信息进行逆运动学解算，生成对应机械臂在关节坐标系下的旋转角度，并据此产生相应的控制指令，完成主从映射。而后为避免运动的不连续性，提升运动的平滑度，本课题对从端机械臂运动时的运动轨迹进行相关研究，基于数字信号处理芯片实现了动轨迹快速规划。        （5）人机互融遥操作系统演示样机集成        结合操作实物相关参数和实际使用环境要求，对移动平台、机械臂以及运动执行机构等机械结构进行集成优化。并按照航天装配工艺的相关要求，完成并优化平台内部的电缆布局和走线方式设计。最终，通过集成硬件平台、传感器系统、执行机构以及通讯系统，完成一套面向应急处置的人机互融遥操作机器人的样机制作。        2.主要技术创新内容        1）提出一种人机互融遥控操作平台的设计方案        传统的人机互融遥控操作平台控制方案中，主端控制信号采集装置通常为复杂的操纵箱，这导致为了达到需要的使用效果，通常需要对操作人员进行培训。当突发紧急情况时，需要专家进行紧急处理，可能会由于专家和操作者的沟通问题，导致发生更加危险的情况。因此，亟待对主端控制信号采集装置进行改进，研发一款训练周期短、操作简单、采集精度可以达到应急处置要求的主端控制信号采集装置。本课题提出了一种人机互融遥控操作平台的设计方案，以外骨骼式惯性人体位姿捕获系统代替原有的操控箱，并结合机械臂运动及控制基本原理，搭建以硬件、传感器、执行机构以及通信网络为支撑的系统架构，实现“采集—传输—控制—反馈”的控制回路以及可移动平台的远程控制，达到“人在回路”实时控制。        2）研发一款主端外骨骼式惯性人体位姿捕获系统        主端外骨骼式惯性人体位姿捕获系统，不能像传统的外骨骼设备作为机械结构来建模。其实现的功能是采集人体手臂的位置与姿态信息，因此构建的运动学模型应为人体手臂运动学模型。通过固定于手臂的外骨骼式惯性人体位姿捕获系统来构建人体运动学模型目前仍具有极大的困难。本课题通过“预先设置初始运动学模型+在线辨识”的方式构建人体手臂运动学模型，在一定程度上提升了运动学模型的准确性，取得了较好的效果。        3）提出一种位姿捕获系统参数在线辨识方案        由于外骨骼式惯性人体位姿捕获系统通常在非实验室环境工作，且需要被不同的使用者使用。同时，使用者在使用时的佩戴位置也不尽相同。因此，亟需对外骨骼式惯性人体位姿捕获系统的运动学参数在线辨识技术展开研究。本课题针对不同佩戴者运动学参数不同导致位姿捕获精度下降的问题，从运动学和微分两个部分出发，构建了运动学参数偏差辨识模型，完成对佩戴者运动学参数的在线辨识，提高了位姿捕获精度。        4）提出一种主从异构的运动映射模型        通常人体手臂被构建为7自由度模型，而从端执行机构通常为4～6自由度的工业机械臂，主从端存在配置异构问题。为使遥操作系统从端能够按照使用者的意愿进行随动，需要对主从异构的运动映射模型进行研究。本课题基于逆运动学模型中的雅可比法，构建了较为普适的主从异构运动映射模型，提升了遥操作系统的适用度。        5）利用数字信号处理芯片完成运动轨迹快速规划        嵌入式系统的运算资源十分有限，在进行逆运动学解时需要耗费大量的计算资源，降低了系统的灵敏性。为提升遥操作系统的跟随性能，本课题对从端轨迹插补算法进行研究。首先分析了目前常用的线性插补、样条插补算法与频域补零插补算法，而后针对嵌入式系统的工作特性，本课题为加速快速傅里叶变换的计算过程，利用数字信号处理芯片代替中央控制器的部分工作，并对所提出的方法进行仿真与分析。        3.国内外同类技术对比        在航天领域，为了协助或者代替宇航员进行空间站的在轨操作和维修，美国宇航局NASA研发了两代最先进的类人型机器人宇航员Robonaut-1和Robonaut-2。Robonaut类人机器人可以通过触觉接口、预测仿真显示和远程的临场感设备可靠地进行一些类人操作活动，如机械接口的插拔任务、土壤的提取等。驾驶舱在遥操作模式下为操作者提供了包括手套、头盔、力反馈手控器、脚踏板和位置跟踪仪等设备，以使操作者获得更好的操控体验。        1998年起由日本产业技术综合研究所的学者发起的HRP（Humanoid Robotics Project）项目，研发了HRP系列的类人机器人，并为操作者提供了用于远程交互的遥操作系统。HRP交互系统的控制端包括：一对用于手臂操作的具有力反馈功能的6自由度主操作臂，一对用于连续输入控制指令的3自由度简易操纵杆和辅助脚踏板；系统另外提供三维视觉信息显示器、控制信息显示器和状态转换控制开关。为进一步实现操作者的简易高效控制，Ee Sian Neo等提出了结合操作者意图和机器人自主功能的操纵杆交互系统，使操作者能够简单地利用一对3自由度操纵杆对30自由度类人形机器人HRP-1S和HRP-2进行便捷地控制。之后Mike Stilman等进一步开发了用于操作大型重型物体的3自由度操纵杆全身交互系统。        德国航空航天中心（DLR）以及德国波恩大学自主智能系统组（AISG）等提出的多方式人机交互系统，使操作者能够以更多的方式完成一些高度灵活的运动。其中，DLR通过操作两个轻量臂DLR/KUKA轻量协作臂的手臂运动，并由配备的手柄控制器来控制灵巧手，可以获得触觉反馈。AISG的Momaro是一种半人马式的移动操作机器人，通过眼动仪和雷蛇控制器等设备实现对机器人的交互控制，该系统已经运用到了太空机器人和救灾机器人挑战赛中，并得到了验证。        在国内，中科院沈阳自动化研究所研制了融合虚拟现实和视觉感知的水下机器人遥操作交互实验系统，对基于立体视觉的虚实环境校正、环境与机器人位姿关系建立等关键技术进行了研究。清华大学基于局域网对机器人分布式遥操作系统进行了视觉再现等方面的技术研究；哈尔滨工业大学机器人研究所研发了基于空间鼠标、力反馈数据手套、力反馈外骨骼装置和基于Open Inventor虚拟仿真环境的卫星自维护遥操作交互系统，成功地用于操作模拟时延下的从端空间机械臂和HIT/DLR灵巧手，例如辅助打开太阳能帆板等。        （二）产业化前景分析及实施方案        1、目标市场        随着科学技术的发展，国家在深地层、外层空间、强辐射、高真空、深水等新的环境中作业已经屡见不鲜。可是高温、有毒、粉尘、噪声、易爆等环境已经让人类付出了难以承受的代价。长期以来，人类一直希望有一款自身的代替品能够代替自身进入危险重重的操作现场对危险品进行操作。机器人就目前的情况来看具有极大的可能实现这一梦想，可当前的人工智能水平又不足以完全支持机器人在复杂且随时可能会有突发事件的操作现场进行工作。而该项目就是根据这一矛盾和国家的现实需求设计并研发一款“人在回路”并能够实现远程操作、完成各种复杂动作且适应多种环境的特种移动平台。该产品不仅可以用于危险环境中的作业，也可以用于老年人居家代步的设备等，从而扩大了应用领域，具有广泛的应用前景和产业化前景。        2、竞争能力        在技术上，运用学校专有核心技术以及人才优势，可以有效防范和化解潜在的技术风险。在价格上，该产品的价格低于国外的类似产品，具有明显的价格优势。在市场上，该产品能够满足大多数公司的需求，有较为广阔的应用市场。        3、市场营销策略        利用网络工具如通过百度、谷歌、阿里巴巴、关键字链接、微信公众号等渠道宣传推广项目产品，提高产品知名度，增加产品影响力；积极参加各类创新型大赛，利用各类大赛的名气积极介绍推广我们的产品；建设营销网络，培训专业营销队伍，做好客户关系管理，用自己的诚信和过硬的技术使客户成为我们的忠实用户。