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轮椅机器人异构主从臂关节空间中的运动映射研究

更新时间：2019-12-24 06:49:12 大小：2M 上传用户：守着阳光1985查看TA发布的资源 标签：轮椅机器人 下载积分：1分 评价赚积分 （如何评价?） 打赏 收藏 评论(0) 举报

资料介绍

轮椅机器人系统是一种用于帮助有肢体运动困难的老年人/残疾人完成各种日常生活操作的辅助机器人,研究异构主从臂之间的运动映射算法有助于提高此类机器人系统控制操作的便捷性和直观性.本文以人手臂作为通用主臂,异构的7DOF机械臂作为从臂,采用穿戴式人体运动运动捕捉系统获取人手臂的关节运动数据,然后根据从机械臂的构型特征将其关节分为肩、肘、腕3组,研究在关节空间中由主臂到从臂的运动映射算法以及从臂的自主避障算法,最终实现符合操作者日常习惯的异构从臂运动控制.本算法具有如下两个突出的优点:(1)老年人/残疾人可以根据生活直觉和日常习惯来控制机械从臂的运动,操作疲劳程度和出错率得到显著降低;(2)轮椅机器人在家庭等非结构化和受限空间中作业时的自身安全性得到显著提高.上述优点对于轮椅机器人系统在助老助残中的应用具有非常重要的意义.


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2
Vol． 46 No． 2  
Feb． 2018  
第
期
电
子
学
报
2018  
2
ACTA ELECTRONICA SINICA  
年
月
轮椅机器人异构主从臂  
关节空间中的运动映射研究  
1，2  
1，2  
1，2  
1，2  
，
何
， ，  
左国玉 于建均  
龚道雄  
睿
( 1．  
，
北京工业大学信息学部自动化学院 北京  
100124; 2．  
，
计算智能与智能系统北京市重点实验室 北京  
100124)  
:
/
轮椅机器人系统是一种用于帮助有肢体运动困难的老年人 残疾人完成各种日常生活操作的辅助机器  
摘
要
， ．  
人 研究异构主从臂之间的运动映射算法有助于提高此类机器人系统控制操作的便捷性和直观性 本文以人手臂作为  
，
通用主臂 异构的  
7DOF  
， ，  
机械臂作为从臂 采用穿戴式人体运动运动捕捉系统获取人手臂的关节运动数据 然后根据  
、 、 3 ，  
从机械臂的构型特征将其关节分为肩 肘 腕 组 研究在关节空间中由主臂到从臂的运动映射算法以及从臂的自主  
，
．
: ( 1)  
/
避障算法 最终实现符合操作者日常习惯的异构从臂运动控制 本算法具有如下两个突出的优点  
老年人 残疾人  
轮椅机器人在家庭  
等非结构化和受限空间中作业时的自身安全性得到显著提高 上述优点对于轮椅机器人系统在助老助残中的应用具  
，
; ( 2)  
可以根据生活直觉和日常习惯来控制机械从臂的运动 操作疲劳程度和出错率得到显著降低  
．
．
有非常重要的意义  
:
;
;
关键词  
中图分类号  
URL: http: / /www． ejournal． org． cn  
轮椅机器人 异构主从臂 运动映射  
:
TP242  
:
A
: 0372-2112 ( 2018) 02-0464-09  
DOI: 10． 3969 /j． issn． 0372-2112． 2018． 02． 028  
文献标识码  
文章编号  
电子学报  
Motion Mapping in the Joint Space for the Control of the  
Heterogeneous Wheelchair-Mounted Robotic Arm  
1，2  
1，2  
1，2  
1，2  
GONG Dao-xiong ，HE Rui ，ZUO Guo-yu ，YU Jian-jun  
( 1． College of Automation，Faculty of Information Technology，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China;  
2． Beijing Key Lab of Computational Intelligence and Intelligent System，Beijing 100124，China)  
Abstract: Wheelchair-Mounted Robotic Arm ( WMRA) is a typical assistive robot system for the elder/ disabled  
people． This paper studies the motion mapping from a human master arm to a heterogeneous slave WMRA for manipulation  
in activity of daily livings． The motion of the human master arm is measured via a wearable motion capture system，and then  
the motion captured data is transformed into the joint space of the heterogeneous slave robot arm using a corresponding joint-  
set motion mapping algorithm，and an autonomous obstacle avoidance algorithm is also developed，as a result，the motion of  
the heterogeneous slave WMRA can be easily controlled by the user via the motion of his/her arm． This method possesses  
two remarkable advantages that are vital to the application of the WMRA systems: the elder/disabled user can operate the  
WMRA system intuitively and conveniently，and the fatigue degree and error rate of the user can be significantly reduced;  
the safety of WMRA in an unstructured and constrained home environment can be significantly improved．  
Key words: WMRA; heterogeneous master/slave arm; motion mapping  
，
人 占总人口的  
8． 87% ， 10% 7%  
均远超联合国 和  
的人  
8502 ，  
万
1
引言  
; ，  
口老龄化指标 同时 我国残疾人的总数高达  
．
中国的人口老龄化问题日益严重 根据  
2010  
年第  
1． 78  
亿
6． 2% ，  
其中肢体残疾人  
2472  
，
万
约占全国总人口数的  
，60  
六次全国人口普查的结果  
岁以上人口多达  
29． 07% ，  
在所有残疾种类中所占比  
占总残疾人数量的  
，
亿 占总人口的  
13． 26% ，65  
1． 19  
岁以上人口多达  
［1］  
．
/ ，  
这个庞大的老年人 残疾人群体 由于身体  
重最大  
: 2016-07-01;  
: 2016-12-21;  
:
责任编辑 李勇锋  
收稿日期  
修回日期  
:
基金项目 国家自然科学基金  
( No． 61673003) ;  
中国科学院沈阳自动化所国家机器人重点实验室开放课题  
465  
2
:
龚道雄 轮椅机器人异构主从臂关节空间中的运动映射研究  
第
期
，
原因导致生活质量显著下降 已经形成一个不可忽视  
人系统需要随时对从臂进行逆运动学计算并处理其冗  
［2］  
．
， ，  
余解 带来很大的计算量 这将影响到从臂运动控制的  
的社会问题  
轮椅机器人由智能轮椅和安装在轮椅上的机械臂  
; ( 3)  
实时性和作业质量  
受限的家居环境中工作 众多障碍物的存在迫使操作  
者必须时时处处留心以避免从机械臂与障碍物发生碰  
轮椅机器人系统在非结构化和  
， /  
构成 可以部分或全部实现老年人 残疾人已丧失的操  
，
， 、  
作能力 是一种典型的 用于帮助肢体运动困难的老年  
/
人 残疾人完成各种日常生活操作  
( Activities of Daily  
， ，  
撞 这将进一步地增加操作者的工作负担 并给机器人  
［3 ～ 5］  
Living，ADL) ( Assistive Robot)  
的辅助机器人  
．
系统  
系统自身的安全以及作业任务的顺利完成带来更多的  
［21，22］  
， —  
一般情况下 使用者通过手柄等人 机器人接口控制  
．
不利因素  
， ; ，  
机械臂的运动 从而为其提供服务 在其他情况下 操作  
， ，  
由此可见 遥操作机器人系统 尤其是面向有体力  
，( /  
者也可以离开轮椅移动平台 或者由老年人 残疾人  
，
和脑力限制的特定人群的助老助残轮椅机器人系统  
: ( 1)  
/ ) —  
的家庭成员 护理人员 通过人 机器人接口遥操作控  
必须通过算法实现如下的功能特点  
机器人系统具  
．
制轮椅机器人在房间中完成其他需要的家务劳动 比  
，
有较好的操作性 主臂的控制符合操作者的日常习惯  
，
［6］  
·
2007  
，
轮
尔
盖茨在  
年预言机器人将进入千家万户  
，
异构主从臂的运动具有较高的相似性 即主从臂进行  
椅机器人就是这样一种可望进入千家万户帮助老年  
，
作业时在其工作空间中的构型具有较高的一致性 从  
/ 、  
人 残疾人解决日常生活困难 提高生活质量的辅助机  
，
而使得从臂的运动完全符合操作者的主观感受 操作  
．
器人系统  
轮椅机器人系统通常具有异构  
［14 ～ 16，23，24］  
; ( 2)  
者可以方便地对从臂进行直觉控制  
机器  
( Heterogeneous)  
的
， 、  
人系统具有较好的安全性 即使在非结构化 动态的家  
( The Master Arm)  
( The Slave Arm) ，  
和从臂 作为运  
主臂  
，
居环境中 即使是体力和脑力受限的操作者进行了误  
、 、  
动指令输入机构的主臂通常包括键盘 鼠标 操作手柄  
、
，
操作 从机械臂也能够根据其自身的传感信息发现并  
［7］  
BCI  
—
，
作为运动执行机构的从臂通  
等人 机器人接口  
常是针对家居环境和日常生活任务而设计的串联性机  
AMOR，ARPH，Handy l，  
， ， 、  
规避危险 同时向操作者发出报警信号 以保证人员 环  
．
境和机器人系统本身的安全  
．
械臂 典型的轮椅机器人系统  
，
针对上述问题 本文提出如下的解决方案  
: ( 1)  
以
［8］  
JACO，KARES II，FRIEND  
Movaid  
和
等都采用了异构  
，
人手臂作为通用主臂 采用穿戴式运动捕捉系统获取  
． ，  
主从臂的设计方案 因此 在主从异构的轮椅机器人系  
，
操作者的肢体运动信息 设计从通用主臂到机械从臂  
，
统中必须要设计专门的算法 克服主从臂之间的运动  
，
的运动映射算法 将操作者的运动信息转化为从机械  
［9］  
，
学差异 将主臂的控制指令映射为从臂的相应运动  
;
，
臂的控制指令 这样操作者就可以无视主从两端异构  
，
否则将会导致主臂和从臂的运动轨迹显著不同 使从  
，
的运动学约束和差异 根据从机械臂所处的作业环境  
，
， ，  
臂的运动控制难度加大 操作者的工作负担加重 甚至  
，
用手臂做出完全符合自己日常习惯和直觉的动作 通  
［10，11］  
．
难以完成作业任务  
，
过异构主从臂的运动映射算法发出控制指令 控制机  
异构主从臂运动映射最常用的算法是正逆运动学  
; ( 2)  
械从臂在其作业空间中复现主臂指令的运动  
考虑  
( Forward-Inverse Kinematics Approach) ，  
即先跟据  
方法  
，
到家居环境非结构化和作业空间受限的突出特点 研  
(
主臂的正运动学模型 比如  
D-H  
)
模型 计算出主手在其  
，
究机械从臂的自主避障算法 赋予机械从臂在执行操  
( Workspace)  
，
笛卡尔坐标系中的位置 然后采  
作业空间  
作指令的前提下进行自主避障和预见到碰撞时报警的  
用线性映射计算出从手在其作业空间笛卡尔坐标系中  
， ，  
能力 减轻操作者的作业负担 使操作者能够专注于与  
，
对应的位置 最后根据从臂的逆运动学模型计算出从  
( Higher-level  
作业 任 务 本 身 相 关 的 上 层 决 策 任 务  
，
臂实现相应姿态的各关节构型 从而实现从手在其作  
［12 ～ 16］  
Tasks) ，  
更好地实现助老助残功能  
．
．
业空间中对应的姿态和方位  
， ，  
在本文的研究方案中 通用主臂是人的手臂 其肩  
、
Pierce  
，
等的研究表明 正逆运动学方法并不能达到  
［17］  
，
腕关节具有多个运动自由度 并且多个运动自由度的  
，
理想的主从臂运动映射效果  
存在如下一些不足之  
． ，  
轴线相交于一点 针对上述特点 我们研究一种在关节  
: ( 1)  
，
轮椅机器人系统主从机械臂之间的异构特点  
处
( )  
空间 而不是笛卡尔空间 中进行异构主从臂之间运动  
，
决定了其控制过程不符合操作者的日常习惯和直觉  
在主端的操作过程中需要时时考虑具有特殊结构的从  
，
映射的算法 将异构的主从臂关节根据其构型特点进  
， ，  
行分组 以组为单位考虑关节之间的运动映射 克服前  
，
端机械臂应该如何操作 因此操作者需要进行大量的  
述笛卡尔空间中异构主从臂正逆运动学映射方法的固  
，
训练才能熟练掌握相关的技巧 并在作业过程中承受  
［18 ～ 20］  
， ，  
有缺点 使得轮椅机器人的控制操作更加直观方便 从  
，
较大的工作压力 容易出错  
，
这种工作压力给老年  
．
/
人 残疾人使用者带来的负担尤为突出  
; ( 2)  
而减轻操作者的工作负担并减少错误率  
轮椅机器  

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