双臂操作手 —— 一篇调查外文翻译资料

 2021-12-30 09:12

英语原文共 14 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

双臂操作手 —— 一篇调查

摘 要：近年来，拟人机器人和工业机械手在某些需要双臂操作的领域已经带来了不断增长的利润。我们预测，未来机器人能够像人一样在生活和工业场景中完成一些任务。自然，我们有必要研究人类双臂操作技术，以及在机器人控制中使用该技术的方法。从低水平的控制，到高水平的任务规划和执行都有与之相关的科学问题。本篇综述旨在总结不同领域在这些科学问题上的不同方面（尤其是双臂操作方面）的研究现状。

关键词： 双臂机器人 家庭机械臂 综述 控制 建模 规划 学习

1 前言

机器人越来越多地出现在原本为人类设计的环境中。在工业上，人体尺寸大小的拟人机器人被期望在不需对工作空间进行重大调整的情况下代替工人。交替地使用人和机器人的能力被认为是低成本和柔性自动化的关键。随着机器人在医疗保健和家庭环境中使用的增加，机器人有必要更好的适应本质上以人为中心的环境。更先进的拟人机器人被期望来模仿人类行为、动作和像人那样操作物体。

在过去的几年里，人机协作为拟人或双臂操作领域带来了不断增长的利润。机器人的基本操作形式是一个很好的研究领域，且在过去的50年里已经看到了显著的发展，但是双臂或多臂操作具有单臂所不具有的复杂性。这种更高的复杂性意味着双臂操作需要更先进的系统集成、高水平的规划和推理，以及可行的控制方法。在双臂操作中的固有挑战，尤其在非结构化环境中，伺服（servo）也作为基础研究领域发展的动力，并提供各种支撑技术的应用场景。图1展示了多种双臂系统。

本文旨在总结机械臂控制、建模、规划和学习的最新发展，尤其是双臂的研究工作。文中对上述各个单独领域作出了综述，但未明确双臂在各领域的技术水平和未来挑战。

图1 多种双臂系统

1.1 背景

一些最初的操作机器人是双臂系统。早期的例子包括Goertz在20世纪四十年代和五十年代建造的用于处理放射性物品的机械臂[1]，它是成对使用的，操作者用每只手控制一个。20世纪50年代末还出现了用于深海探测的双臂远程操作装备[2]。NASA的约翰逊航天中心(Johnson Space Center)在1969年开始试验拟人双臂遥控操作器[3]。双臂机械手和操作的历史已经在前几篇评论文章中详细描述[4-6]。

大量早期研究工作只考虑单臂。并且已经成为很长时间的规范，特别是在20世纪80年代和90年代，发展了许多关于视觉伺服的初始工作[11]。类人机器人领域的最新发展和模仿学习的研究工作中开始使用双臂机器人。下面列举几个双臂机器人得以应用的驱动因素：

  1. 与人类操作者相似——在远程装备中使用双臂的一般动机是操作者执行双臂任务，并且在从动端具有双臂意味主动端双臂技能可以转移至远程从动端[12-16]。
  2. 柔性和刚度——通过在闭合运动链中使用双臂，并联机械手的刚度和强度可以与串联机械臂的灵活性和敏捷性相结合[17]。
  3. 操作性——双臂操作能控制两个部分的能力，例如一个典型的插销任务，一个机械臂定位销，另一个机械臂定位孔[18]，或螺栓装配任务，其中一个机械臂控制螺母，另一个机械臂控制螺栓[19]。双臂系统的高度的任务空间冗余在用于家庭任务如洗碗中表现最佳性能[20]。
  4. 认知动机——类人双臂机器人已被用于探索类人物理交互与认知是如何相关的[21]。同样的，在人机交互(HRI-Human Robot Interaction)的场景中，有人认为，由于人类对双臂操作具有直观的理解，所以双臂机器人的行为对观察者来说更容易理解和关联[22,18]。
  5. 人形因素——随着机器人出现在人类工作的环境中，机器人需要表现的像人一样，能够很好地控制其双臂[ 23,24,8,25 ]，尽管有些人承认这可能对当代硬件的性能（特别是功率和鲁棒性）存在显著的约束[26,22]。一方面由于与两个单臂单元相比，双臂系统占据更少的空间和更低的成本；另一方面，机器人换人不用改变工作空间，故，近来已经出现若干用于工业应用的双臂系统 [27–29,7,30]。

正是因为存在上面的这些原因，各种各样的双臂机器人硬件平台才得到了发展，见图1的几个例子。尽管双臂操作平台种类繁多，但它们存在许多共性问题需要解决，这些问题将在下面进行讨论。

1.2 定义

术语“双臂操作”没有达成具体一致的定义。操作可定义成与物体的物理交互，即在物体上施加力使其移动或重塑。然而“双臂”不是无关紧要的定义，图1(e)中固定在同一手上的两个灵巧手指可以操作小物体，这与图1(d)中两个单独操作臂移动大物体具有相同的原理。事实上，许多学者不区分多智能体(multi-agent)和多臂系统(multi-arm system)。而是给出了协同操作的广义定义，其内涵包括从同一手上的不同手指到不同机器人的团队合作[31,32]。在双手抓握方面，还提出了一种详细的分类，将Cutkoskys抓握分类学用于单指抓握到多指抓握[33]。

表1 双臂操作层次

表2 文献总结

将双臂操作分为非协调操作（两个操作臂执行两个不同的任务）和协调操作（操作臂执行相同工作的不同部分）。协调操作又分为目标协调操作(goal-coordinated)和双手操作(bimanual manipulation)。对于目标协调操作，手臂之间没有物理交互，但是二者解决相同的任务，如在键盘上敲入不同的键。而双手操作被定义成与相同对象进行物理交互[34]，见表1。其中，第一种任务中（左臂给零件托盘装箱，右臂焊接不相关的焊缝），操作臂彼此独立执行任务，没有明确的协调，这与单臂系统无异，对不同单臂可用相同的方法进行分析。后两种情况包括大量的时间和空间的协调，这点与单操作臂系统不同。本文的综述均属于后两种，并且相应的在表2中进行分类。该表还根据研究领域的不同将论文分类，作为快速指南参考。

在下一节中，我们组织和综述该领域的最新技术，并从建模范例开始，并以不同应用实例结束。

1.3 双臂系统

双臂操作已经存在多种机器人平台。虽然一些研究是通过简单地放置两个单臂共享相同的工作空间建立的系统上开展的[13,129,9]，但在建设专用双臂平台上也投入了相当大的努力。其中一些注重操作能力并以工业制造应用为目标，如丰田（Toyota）的双臂机器人[132]，安川（Yaskawa）的Motoman SDA10D [7]，ABB的Frida[135]，韩国机械与材料研究所的双臂机器人[28]，Kawada Hiro [29]，SHARP家用机器人[27]或Pi4 Workerbot [30]，这些机器人都长得像一个“躯干”，主要用于固定部署。类似地，原型躯干型（prototypical torso-type）机器人也被构造用于不同的研究目的，如Umass的Dexter [21]。

一种专用的躯干型机器人，旨在执行传统上由人类宇航员执行的一些任务，如美国国家航空航天局（NASA）的 Robonaut[136]和加拿大标准协会（CSA）的Dextre [137]。这些可以安装在大操纵器的端部，并且具有有限的移动性。

有的机器人侧重于在人类环境中操作的移动性。如马萨诸塞大学（UMass）的Ubot [138]，东北大学（Tohoku University）的Mr Helper [134] Willow Garage公司的 PR2 [8]，德国宇航中心（DLR）的 Rollin Justin [139,24]，德国智能研究中心（DFKI）的Aila [140]，卡尔斯鲁厄理工学院（KIT）的ArmarIII [22]，慕尼黑工业大学（TUM）的Rosie [141]，早稻田大学（Waseda）的Twendy-one[126]，佐治亚理工学院（GATech）的Domo [26]和Cody [142]。有的机器人侧重于模仿人类的外观和结构，如本田（Honda）的Asimo [143]和川田（Kawada）的HRP系列[144]。还有一类机器人（尤其是用于远程操作工作的），其外观不一定是仿生的，但其工作空间被设定与人类操作员工作空间密切匹配[12-15,145,16]。

1.4 应用

虽然许多双臂系统是主要用于开发和评估基本技术和原理的纯粹研究平台，但也有几个实际应用的例子。本节介绍双臂操作的典型应用（后面将对这些系统的技术进行详细介绍）。

在家庭应用方面，已经研究出在多种情况下能折叠衣物的机器人。这些叠衣机器均是利用视觉检测褶皱（folds）和拐角（corners），但操作方式有所不同。在[124]，在拟人机器人上专门设计的尺蠖式（inchworm type）的夹子用于跟踪衣物边缘。[95]用PR2展示了自动折叠毛巾——将立体视觉（stereo vision）和用于检测毛巾拐角的基于视觉的抓握点检测算法（vision-based grasp point detection algorithm）相结合，从而生成基于视觉的抓握点和操作，以达折叠毛巾的目标。[122]中用PR2抓住毛巾的一个拐角，并将其提起，使其在重力作用下展开，以便使用视觉检测更多的拐角。早期关于使用视觉引导的双臂机器人与衣服相互作用已经在[127]中报道，并且在工业设置[129]中关注于利用在固定框架下基于视觉的技术来检测和建立衣服形状模型以利用工业机器人来操纵，并将抓住一堆毛巾的最高点的性能和抓住毛巾粗略近似的一端的性能进行比较。在[100]中，提出了使用一对工业机器人（Kawasaki Js2和Yamaha Rch-40）来作为一个双臂机器人来操作衣服。对工作空间内单个固定位置的相机图像进行处理，以便检测抓手是否已到达拐角。

其他家庭应用类型也已经被描述用于双臂机器人。在[126]中，提出了TWENDY-ONE机器人。 该机器人是为老年人提供护理和厨房支持而开发的。在[123]中，使用一对双臂拟人机器人来制作薄饼。其重点介绍高级推理，规划和系统集成。在[27]，一个较小的双臂机器人通过对运动预编程（preprogrammed）和示范教学（teaching by demonstration）来实现端茶服务。文献[22,125]描述了拟人机器人ARMAR-III装载和卸载洗碗机。在[99]中，利用了视觉伺服控制器（visual servoing controller）对双臂抓取和操作任务进行了扩展。其控制框架允许它跟踪多个目标。[150]提出了一个名为RIBA具有人形躯干的原型机器人（prototype robot）执行与保健相关的提升任务，例如将人从床转移到轮椅。

在[96]中，考虑了两个6-DoF双臂移动机器人之间的合作场景。这两个独立的机器人使用视觉估计机器人和箱子的位姿来抓住箱子并将箱子移动到目标位置。在[134]中，提出了一种移动双臂机器人的控制系统，其通过与人协作来操作（handling）单个物体。该机器人系统与人协作执行操作任务，或者自主地传送对象。

在工业场景中，部件装配是双臂系统的典型应用。[132]中描述了通过预编程进行变速箱装配，而[28]描述了通过示范编程(programming by demonstration)进行类似任务。研究的另一个领域是材料重塑。在[131]中，双臂系统用于弯曲金属部件，在[133]中，双臂系统用于将纸箱折叠成预定形状。最后，[130]探讨了用观察学习范式(Learning-from-Observation paradigm)来进行机器人学习，并将其用于面向工业的刚性多面体对象的装配任务。

在[94]中，测试了一个用于空间探索任务的双臂机组辅助机器人系统。其目标是该系统能够使用视觉和基于力的控制策略自主地抓取对象。该系统由四轮移动平台和两个机械臂组成，每个手臂末端执行器都安装有摄像头。将基于图像的视觉伺服与基准标记(fiducial markers)相结合以移动机器人的每个臂。

表3总结了本文引用的论文中使用的不同硬件平台。

表3 双臂机器人系统特点

2 研究现状

本节的目标是组织和回顾双臂系统的工作。我们从建模范例(modeling paradigms)的工作开始。接下来是控制理论方法的概述，其中基于视觉的控制的方面被更详细地研究。然后，我们回顾关于规划(planning)以及考虑有关双臂抓取和操纵对象的工作。我们还介绍了不同的学习方法，并在最后提出一些有趣的应用案例。

2.1 建模

对双臂机器人系统的研究十分广泛，并且存在大量文献研究如何为系统建模以实现抓取和操纵物体或与物体无关的目标。本节的一部分是基于教科书[151,152,32,43]和关于机器人抓握和操纵的综述[153,154]。本节介绍的文献考虑闭合链系统的特性，如抓握矩阵（grasp matrix）、内力（internal forces）、约束性能（restraint properties）、力/载荷分布（force/load distribution），固有冗余（inherent redundancy）以及操作变形片材的影响（implication of manipulation of deformable sheets），以及在双臂操作中使用移动机械手（mobile manipulators）。

用于操纵物体的多协作机械臂组成的机器人系统的建模过程严重依赖于末端执行器和操作物体之间的相互作用类型。协作机械臂操作任务有两个主要的类别：

  1. 协作机械臂利用固定抓握点（fixed grasp points）来保持物体，如图2(a)所示：假设物体刚性地与两个机械手接触，因此抓握点与物体之间没有相对运动。固定的抓握

    全文共19603字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

    资料编号：[2928]

原文和译文剩余内容已隐藏，您需要先支付 30元 才能查看原文和译文全部内容！立即支付

以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。

您可能感兴趣的文章