基于自制触觉感知器的人机安全协同控制研究

作     者：刘乐康 

作者单位：烟台大学 

学位级别：硕士

导师姓名：董言治;刘华平

授予年度：2024年

学科分类：080202[工学-机械电子工程] 08[工学] 0804[工学-仪器科学与技术] 0802[工学-机械工程] 

主      题：电阻抗层析成像 触觉感知 图像重构 人机交互 

摘      要：随着机器人工作环境和任务需求的日益复杂化,确保机器人与外界环境之间的工作安全性已成为焦点,机器人的触觉感知在这一安全性问题中扮演关键角色。通过触觉接触,机器人能够直接获取与之接触的外部环境的物理信息,并直接影响其人机交互的安全性和运动决策。电阻抗层析成像(Electrical Impedance Tomography,EIT)是一种非侵入式的电生物学成像技术,能够通过少量边界电压数据计算敏感场域内部的电导率分布。其具备无辐射、低成本和实时性强等优势,在机器人的大面积“电子皮肤触觉感知应用上具有显著优势。 本文依托于国家重点研发计划智能机器人专项的“人-机器人智能融合技术,立足于智能机器人具身触觉感知与学习的基础理论与关键技术,将基于电阻抗层析成像技术的机器人触觉感知作为主要研究方向,主要研究内容概括如下: (1)设计和制造了一种基于电阻抗层析成像的触觉感知器系统,用于实现智能机器人对于外部环境的触觉感知功能。首先根据压阻式原理完成二维和三维触觉感知器的制备,其次完成了硬件数据处理系统的搭建,然后完成了软件图像重构系统的设计,最后进行了多样性的实验验证。实验结果证明了该系统的有效性,该触觉感知器系统能够有效地覆盖于智能机器人身体的各个部位形成“电子皮肤,有效地实现对外部障碍物刺激的感知功能,并实时完成触觉图像的重构,为后续的人机安全协同控制系统的研究奠定了坚实基础。 (2)提出了一种基于自适应优化电流驱动的触觉感知方法,旨在应对大面积触觉感知器在空间分辨率和响应灵敏度方面的挑战。该方法专注于解决在大面积的触觉感知应用场景中内部位置空间分辨率不足的问题,它由一个全局扫描模式和五个局部优化模式组成。在全局扫描模式下,该方法利用少量边界电极对外部触觉刺激进行快速扫描和成像,并根据外部刺激的位置自适应地选择不同的局部优化模式,以实现对局部刺激位置的电流密度最大化。实验结果表明,该方法能够在不增加测量和计算时间的情况下显著改善大面积触觉感知器的空间分辨率。 (3)实现了一种基于触觉感知的人机安全协同控制系统与虚拟障碍物空间模型构建方法,旨在促进更为安全高效的人机协作。针对机器人在变化复杂的非结构化环境中与外界的交互安全性问题,围绕UR5机械臂设计了由人机通信模块、指令解析模块、视觉定位模块、触觉感知模块和机械臂控制模块组成的人机安全协同控制系统。同时,提出了一种根据触觉反馈信息构建虚拟障碍物空间模型的方法,用于真实空间中障碍物的映射,以实现机械臂在重复任务执行过程中的自主路径规划和主动避障。实验结果证明了所提出的人机安全协同控制系统及空间建模方法的有效性。