机器人操作的理论与方法

“机器人操作的理论与方法”项目属机械工程学科机械制造自动化技术领域，由华中科技大学熊蔡华、熊有伦，香港城市大学李友福领导的项目组完成。该项目获得2013年度湖北省自然科学奖一等奖。

项目背景

用工程科学方法再造人手灵巧的操作能力是广大科技工作者的夙愿，机器人操作研究旨在赋予机器人智能，实现机器人操作的自律化和智能化，为复现人手灵巧操作功能提供科学依据，然而该目标的实现仍是一项漫长而艰巨的任务(S S Sastry，美国科学院院士，总统科技咨询委员会技术顾问)。国际上面临的难题是：现有研究主要集中在机器人抓持操作封闭性的定性分析和静态稳定性评价方面，无法揭示机器人操作中接触点布局、局部几何特征、自然顺应等因素对抓持动态稳定性和操作能力的影响规律，以及抓持误差产生的原因和误差传递原理。

科学发现与创新点

项目组围绕机器人操作中的科学挑战，开展了系统深入的研究，取得的创新成果如下：

1．抓持封闭性与抓持能力的定量评价理论

机器人抓持封闭性旨在研究被抓持对象受制于机器人多指手若干单向接触约束时，被抓持对象在任意方向力和力矩的作用下，确保接触点不产生滑移和抓持对象位姿不发生改变的能力。建立的抓持封闭性与抓持能力定量评价理论，突破了国际上该领域研究长期停留在定性层面的局限，为稳定的接触点布局规划提供了科学依据。

（1）发现并证明了形封闭抓取的充分必要条件是：接触旋量凸包是一个吸引集；‚旋量空间的原点严格处在接触旋量凸包的内部。这一结论不仅解释了制造工程中“6点定位1点夹紧”原理的科学依据，而且对智能夹持规划具有重要的指导意义。

（2）建立了形封闭抓持的判断准则，提出了评价形封闭抓持能力的定量指标：最小化所有法向接触力的和，‚最小化最大法向接触力，为机器人形封闭抓持接触点布局规划提供了理论依据。

（3）在操作空间定义了定量评价机器人抓持系统操作能力的6维力椭球，研究发现：抓持系统操作能力与力椭球的体积成正比；‚力椭球主轴长度反映了抓持系统沿主轴方向的操作能力。

2．抓持的动态稳定性与顺应运动机理

机器人抓持的动态稳定性旨在研究抓持对象在外力扰动下回复到其原始位姿的能力，揭示机器人抓持系统的自然顺应运动机理和机器人操作的基本规律，丰富机器人学科的内涵，为智能机器人自律运动规划提供理论依据。

（1）建立了多个单向接触约束处的变形协调方程，揭示了被操作对象在多个单向接触约束下的自然顺应运动规律。

（2）建立了抓持动态稳定性的定量评价指标，揭示了局部几何特征、自然顺应能力及接触包络区范围对动态稳定性的影响规律。

（3）研究发现，抓持的动态稳定性随指尖接触力、接触处综合曲率半径、接触点包络区域的增大而增强，该发现为鲁棒的机器人动态操作规划提供了新原理。

3．抓持系统的误差分析与评价理论

机器人抓持系统误差分析旨在揭示抓持误差产生的原因以及误差传递原理，它对于在约束环境下实现复杂精密的机器人操作具有重要的理论意义和应用价值。建立的抓持系统误差分析与评价理论，改变了国际上抓持系统线性误差模型无法预测多站装配误差的困局，为精密的抓持系统设计奠定了理论基础。

（1）建立了被抓持对象位姿误差的分析与评价模型，揭示了各种误差及接触点布局与接触顺应对抓持对象位姿误差的影响规律。

（2）定义了单向接触约束下操作对象的自由运动锥和它的极锥，提出了运用极锥构造稳定抓持的理论与方法，为含被动接触约束抓持系统的设计与规划奠定了基础。

（3）揭示了定位误差、零件制造误差、热变形误差及连接误差等对装配误差的影响规律，以及装配误差在装配站内的累积和站与站之间传播的机理，建立了机器人抓持系统误差分析与评价理论，解决了多站装配误差预测与控制的难题。

4．力传感器动力学特性与抓持对象的视觉重构

在机器人抓持、装配等操作中，机器人的末端执行器需要与操作对象产生物理接触。在机器人从自由运动空间过渡到接触约束空间的过程中，如何对末端执行器与操作对象之间的相对位姿和交互作用力进行有效控制，是确保机器人成功地完成操作任务的关键。机器人操作中过渡状态的力控制和操作对象的感知与重构，是国际上机器人学研究领域的热点问题。

（1）建立了机器人腕力/力矩传感器动力学特性的定量分析方法，为机器人操作中腕力/力矩传感器的设计和应用提供了理论支撑。

（2）构建了由模式投影光源和相机组成的主动视觉系统，提出了自动复原条纹光平面与相机像平面之间单应性矩阵的方法，使机器人在操作中具有自适应抓持对象及其状态变化的能力。

（3）建立了相机内、外部参数免标定的主动视觉测量理论与方法，解决了机器人操作中抓持对象在线重构的难题。

图1：机器人抓持操作

学术评价及论文他引情况

本项目8篇代表性论文发表在国际机器人学研究顶级期刊-IJRR等本领域国际权威期刊上，出版英文学术专著《Fundamentals of Robotic Grasping and Fixturing》1部，被国际知名学者正面引用和评述。IEEE机器人与自动化学会主席、IEEE/ASME Fellow、意大利Siciliano教授评述“熊等发现抵抗外力旋量的抓持能力随抓持点形成的多面体体积的增大而变强的规律”。美国马里兰大学Desai教授评述“我们利用被操作对象产生的被动反作用力来设计吸盘式夹持器，这一原理是由熊等提出的”。加拿大滑铁卢大学Wells教授评述“在现有文献记录中，还没有关于人手产生外力和力矩能力的完整报道，熊等完成的关于机器人手抓持能力的研究工作，为人手抓持能力评价提供了可行性”。

引文作者还包括美国总统奖获得者、IEEE T-ASE顾问委员会主席K Goldberg，以色列工学院教授Rimon，乌克兰工程院院士、德国弗朗霍夫研究所的Leopold等著名教授。

2009年，项目组熊蔡华教授应荷兰政府科技办公室的邀请，代表中国科学家赴海牙出席TWA机器人技术国际大会，做了题为《中国康复机器人研究》的报告。2010年，项目组熊蔡华教授应邀赴首尔出席中日韩机器人高峰论坛，并代表中方做 “Research works related to rehabilitation robotics in China”的大会主题报告。

对促进学科发展的重要意义与成果应用

实验结果表明，建立的机器人操作理论与方法，可以指导机器人抓握操作系统的设计与规划，复现人手灵巧的操作功能。完成的研究工作，对于丰富生物制造与仿生制造的科学内涵，促进生机电一体化交叉学科的发展，以基础研究带动技术进步，提升我国智能康复工程装备研究水平具有积极的意义。

运用机器人操作的理论与方法，项目组研制了上肢康复机器人。患者的肢体依托在康复机器人的外骨骼上，这种外骨骼式康复机器人系统通过附着在患者肢体上的电极采集人体表面的肌电信号，并运用计算机提取患者肌电信号中蕴含的生理信息，识别患者运动意图，进而生成康复机器人的运动控制指令，实现患者运动意图驱动的康复训练。该机器人系统还可以自主调节关节运动速度以及施加于患肢关节的力矩，以增强患者康复训练的安全性和舒适性，实现人性化的康复治疗。

下一步项目组希望能研制出生物、机械、电子一体化的机器人。把人的认知融入机器人中，使机器人真正变成智慧机器。项目组深知，这段路还很漫长！

（供稿  熊蔡华）