大创申报书：仿生机械臂的体感控制和力反馈系统 - 图文

大学生创新训练计划项目申报书

项目级别： □国家级 □省级 ■校级 项目名称： 仿生机械臂的体感控制及力反馈系统

主 持 人： 裴天箫

所在学院： 汽车与交通工程

专业班级： 智能车辆实验班16-1

联系电话： 15850544702

指导教师： 赵林峰 起止年月： 2018年5月至2019年4月

创新创业教育中心 1

填 表 须 知

一、请将项目级别对应选项的“□”打勾。

二、《项目申报书》要按顺序逐项填写，内容要实事求是，表达要明确、严谨。空缺项要填“无”。可自行复印或加页，但格式、内容、大小均须与原件一致。要求一律用A4纸正反页打印，于左侧装订成册。

三、申请参加合肥工业大学大学生创新训练项目团队人数不得超过5人（1人为立项负责人，参与合作研究者1-4人）。

四、《项目申报书》由申报学生所在学院初审，签署意见后，一式二份报送创新创业教育中心。

五、如填表有不明事宜，请与创新创业教育中心联系和咨询。（联系电话：62901107）

2

一、申报简表 项目简况 项目名称 所属学科 申请经费（元） 主持人简况 姓 名 身份证号 所在学院 指导教师简况 姓名 赵林峰 性别 职称 学历 所在学院 研究方向 电话 裴天箫 320105199801220015 汽车与交通工程 性别 学号 专业班级 男 2016210491 智能车辆16-1 仿生机械臂的体感控制及力反馈系统 机械工程、控制科学与工程、计算机科学与技术 2000 起止年月 2018年5月至2019年4月 汽车动力学及男 副教授 博士 汽车与交通工程 控制、汽车驾驶13856952050 辅助系统 项目其他成员简况 姓名 裴天箫 凌鹏扬 俞志豪 项目简介 性别 男 男 男 学号 所在学院 专业班级 项目分工 2016210491 汽车与交通工程 智能车辆16-1 机械、硬件 2016211893 汽车与交通工程 智能车辆16-1 2016210951 汽车与交通工程 智能车辆16-1 编程 编程 机械臂的临场遥感及力反馈系统是通过人手臂上的传感器捕捉人手臂的运动，来控制机械臂的运动，同时通过机械臂上的传感器来捕捉机械臂受到的阻力、反作用力等，再实时的用人手臂上的力反馈系统给手臂施加个相似的力来阻碍手臂运动，给人的手臂模拟出一个与机械臂类似得到环境，以达到如同控制自己手臂般控制机械臂的感觉。是结合了体感控制与力反馈技术的全新的控制仿生机械臂的方法。 3

二、申请理由 （一）团队状况及前期准备 项目小组成员共有3人，都是现智能车辆实验班的学生，其中两人原是计算机学院的，一人原是机械学院的。顺其自然的，就由两原计算机学院的同学负责编程、算法、电子技术和部分硬件开发，另一原机械学院的主要负责机械结构设计和机电一体化。团队的三个人都已经学习了工程图学、c语言、理论力学、材料力学、机械原理、电工技术、计算方法等课程，并结合原专业方向技能，两人尤为擅长编程和算法，另一人在机械原理则有深入的学习研究。除此之外，我们团队还自学单片机的开发于控制、软硬件的设计与制作等等。通过对这些课程学习掌握，我们的团队已经具备了相当的研究开发能力。并且计划在之后，系统的学习机电一体化相关课程如机械工程控制基础、传感器与检测技术、机电一体化系统设计和一些自动化相关课程如现代控制理论、过程控制、运动控制等。 除了在专业技能上的准备，我们的团队还收集了大量资料、阅读了大量的学术文献，整理了现市面上已有的所有体感控制与力反馈相关产品的资料，深入了解了现在相关行业的发展现状，讨论并确定了研究方向和技术创新点，观察实际并认真寻找本技术可以运用的领域。 （二）国内外研究和发展动态 现在国内外很难找到一套成熟的方案，将体感控制和力反馈相结合并运用于仿生机械臂的操控上，故在此分为体感控制和力反馈技术两个方面分别陈述。 （1）体感控制 现体感控制被广泛运用于游戏领域和医疗训练领域，通过人体的运动来代替手柄来操作游戏。现在主流的体感控制系统，根据感测方式的不同可分为两大类。 1、光学感测 运用于游戏领域的体感控制几乎都是采用的光学感测。这种感测方式的优点是不需要繁琐的外设，不会有额外机械结构干涉使用者的动作，但同时也存在巨大的劣势，如需要巨大的空间，人手与摄像头间不能有遮挡，稳定性差，无法有效的捕捉精准的手部动作。其中代表性的产品就是Microsoft的Kinect系统。 2、惯性感测 除了光学感测之外，可以较为精确捕捉人手的动作的数据手套也有大量的公司在进行研究，比如外国的有VPL公司的DataGlove、Matal公司的PowerGlove，国内的有济南超感智能科技有限公司的Miiglove，Vrtrix的数据手套，还有北京诺亦腾科技有限公司开发的全身动作捕捉套装Perception Neuron。数据手套在早期采用的至于关节处的弯曲传感器来捕捉手指关节的弯曲，同时再由额外的连杆机构来捕捉手的位置，进而模拟出完整的手的运动状态。弯曲传感器十分不精确，且能捕捉的信息十分少，无法直接得知手的运动状态，只能通过位置变化来计算出手的运动状态。故而新一代的数据手套都改为了采用MEMS惯性传感器，提高了精确度，反应速度和数据采集能力。而且随着VR的流行，大量的公司都有在做着相关的研究，可是说这项技术也是相当的成熟了。 （2）力反馈技术 力反馈技术也是大量被运用于游戏，如赛车游戏用的方向盘形游戏手柄，但用于人手臂的力觉临场感力反馈装置的研究则这么多年来鲜有进展，其中比较有名的产品只有：Immersion公司的CyberGlove和Dexta Robotics公司的Demox力反馈手套。而且现在市面上还几乎没有有能运用于整个手臂的成熟的力反馈系统。

4

三、项目方案 （一）项目研究内容 （1）项目背景 现仿生机械臂技术也已经相当成熟，可却未能的得到广泛的运用，主要原因还是缺乏有效可靠的控制系统。用传统的操纵杆和按钮旋钮一类来控制自然是无法满足仿生机械臂各种复杂动作的需求；而自动化控制又过于复杂，数据处理难度大，计算耗时长，且机器所处环境往往具有复杂性、动态性和不可预测性。机器对环境的感知的不可靠性、与环境交互过程中又产生不确定性。因此通过自动化理论控制的机械臂很难独立自主完成复杂的任务。 于是我们就萌生了用体感控制操纵机械臂以形象化控制方式，用力反馈系统取代传统的机器与环境交互系统，通过人的智能结合人的肢体来代替原先机械臂的控制器的机能，最终简化和优化仿生机械臂的控制系统。 （2）机械控制理论 控制论创始人N.Wiener曾研究过神经科学，发现其实机器的反馈控制和人的运动控制机理是相似的。控制工程中的：传感器（各种位置、速度、力传感器等）、控制器（各种处理器以及控制算法）和驱动器（电机、液压、气动、记忆合金等）三部分，分别对应于人的感受器（receptor）（例如：视觉、听觉、味觉、嗅觉、触觉等外感受器）、神经系统（中枢和周围神经系统）和效应器（effector）（肌肉、骨骼）。而如今，大家设计控制系统的方法基本都可以归结为5层层次体系： 1）主机（Host）：主要完成人机交互（操作员控制或者调试机器），高级运算（机器人运动规划等）。 2）运动控制器（Motion Controller）：主要用于改善机器人动力学（Robot Dynamics）。机器人的机械本身并不具备跟踪轨迹的能力，需要外加控制来改善。 3）伺服驱动器（Servo Driver）：主要用于改善电机动力学（Motor Dynamics）。由于电机本身物理特性并不具备良好的位置、速度和力矩跟踪能力，因此需要依靠控制来改善。 4）电机（Motor）：充当执行器，将电信号转化为机械运动。 5）机构（Mechanism）：被控制的终极对象。 其中运动控制器、伺服驱动器及部分主机高级运算功能组成控制工程中的传感器，电机和机构组成驱动器，主机的人机交互功能则为传感器。而本课题主要研究的便是由体感控制系统和力反馈系统组成的主机系统方案。 机 器 传感器 力反馈系统 感受器 体感控制系统 人 控制器 驱动器 神经系统 效应器 （3）体感控制系统 图中展示了整个控制系统的基本构架。该系统主要由3大部分组成：数据手套输入（采用惯性传感器）、仿真虚拟手臂以及仿人机械手臂。操作者戴上数据手套做各种动作，数据手套各关节传感器的信息作为控制信号，输入到计算机系统的控

5

制软件。控制软件把数据手套的输入信号映射为人手臂的各个关节的角度信息，并以此作为控制参数，控制仿真虚拟手和仿人机械手的运动。 操作者 反馈 采集 数据 仿真虚拟臂 实时仿真模块 手臂关节 角度映射 控制 机械手驱动模数据手套 仿人机械臂 （4）力反馈系统 力反馈(force feedback)是在人机交互过程中，计算机对操作者的行为做出反应，并通过力反馈设备作用于操作者的过程。作为未直接接触真实环境的操作者和真实环境的交互接口，力反馈设备将机械臂所处环境生成的力感实时反馈给操作者，使操作者获得和触摸真实物体相同的力感。力反馈设备是实现体感操作临场性的关键设备，借助于它，人们可以按照操作自己手臂的方式来操作机械臂。。 力觉交互作为虚拟现实交互中最需要完善和最重要的交互途径，有着不可替代的优越性，而力反馈器的性能直接决定了力觉交互的效果。一个好的力反馈系统，因做到，轻便、不过于影响穿戴者动作，响应快，可产生连续可调阻力等特点。 操作者手臂 数据手套 力反馈系统 计算机 驱动器 机构 传感器 环境 （二）拟解决的关键问题 仿生机械臂的体感控制和力反馈系统，并不是简单的将动作捕捉套件和力反馈套件，1+1=2的结合起来那么简单，关键是操作者手臂和机械臂能否保持良好的同步和能否实时且准确的将机械臂所处的环境信息传递操作者。其中一些主要问题包括： （1）体感输出和机械臂运动的耦合； （2）环境输入和力反馈效应的耦合； （3）当手臂或机械臂受到干涉导致失去同步的应对方法； 除了控制系统的调试，本课题也有将如何实现仿生机械臂的体感控制和力反馈系统的产品化纳入研究范围，故还有如下关键问题： （1）力反馈系统机械结构的简化和提升稳定性； （2）整个系统对于不同体型操作者的自适应性； （3）成熟的操作平台的开发。

6

（三）解决途径 （1）机械臂受力与力反馈系统输出非线性相关，而采用指数相关，以保证正常操作时手臂不会收到过大的阻力且有一定的力反馈交互，机械臂受力或收到干涉时，力反馈系统能对人手臂做出有效制动，保证了手臂与机械臂的同步性。 （2）人手臂位置与机械臂非直接对应，转而将操作者手臂运动范围和机械臂运动范围相耦合，同时弱化操作者对其手臂的感官，已达到对机械更好的操控，让机械臂真正成为肢体的延伸。 （3）除了体感技术对机械臂控制，同时再引入一个机械臂位置向手臂位置靠拢的自动控制系统，体感控制与自动化控制混合控制，以保证手臂与机械臂不同步的情况下也能正常工作。 四、项目特色与创新点 由操作者肢体运动直接操纵机械运动的控制方法。降低了操作门槛，无经验人员也能迅速是上手，无需将目的转化为机器语言（编程、操作界面操作），减少了易出错的环节，从而提高系统稳定性。将人对自己手臂的控制直接放大到机械臂上，有优秀的泛用性和灵活性。 弱化操作者自身肢体以强化操作者对机械臂状态感知的思路。真正将机械臂转化为操作者的肢体一部分。并非将人带入操作系统中，而是用整个系统强化人的机能。是一种新兴的人机交互方式。 五、项目进度安排 2017年8月-2018年3月 小组成员利用课余时间查阅相关文献，经过反复讨论后确定研究的课题。 2018年3月-2018年4月 整合查找到的相关资料，做好前期准备工作，细化研究内容，并制定出研究课题的大致框架，撰写开题报告。 2018年4月-2018年5月 根据确定的研究课题，进一步查阅相关资料，明确知识盲区，进一步完成知识技能积累工作。 2018年5月-2018年9月 按照之前指定的方案与流程，开始对项目的研究，制作实物模型并编写控制程序。 2018年9月-2018年10月 对研究结果进行初步分析，汇总中期结果，并撰写中期报告。 2018年10月-2018年12月 对实物模型、操作程序和整个仿生机械臂的体感控制及力反馈系统进行进一步的调试和改良。 2018年12月-2019年1月 撰写关于“查阅与课题相关的文献资料”的最终论文，并在导师的指导下进行修改，联系论文发表单位发表该论文。 2019年2月-2019年3月 准备结题报告以及结题答辩。 7

六、拟利用资源 1.利用中国知网等网站查阅国内外此方面及相关的研究文献； 2.利用各大图书馆，查找借阅相关方面的书籍资料。 3.利用学校工培中心的车窗、铣床、钻床等资源，和电子电工工具，制作实物模型。 4.利用计算机来编写开发控制程序。 5.部分市面上已有的“体感控制”“力反馈系统”产品。 七、项目预期成果 1.撰写调研报告，关于“体感控制技术”和“力反馈系统”的调研报告； 2.撰写“仿生机械臂的体感控制及力反馈系统”的中期报告；及时发现问题，并改进优化研究方案，为随后深入开展研究做铺垫； 3.发表关于“仿生机械臂的体感控制及力反馈系统”的学术论文； 4.制作包含一个到两个自由度的实物模型，包括仿生机械臂结构和穿戴式力反馈系统，并开发相关的控制程序。 八、经费预算 序号 1 2 3 3 5 6 支出项目 通讯费交通费 相关图书资料费 复印打印费 论文发表费 材料费 劳务费 总 计 九、项目承诺 1.本项目申报和材料撰写过程不存在学术不端行为。 2.确保项目经费全部用于实施项目，开支范围主要包括设备费、材料费、办公用品费、测试化验加工费、印刷费、复印费、版面费、图书费、差旅费（须附调研报告）和会议费（附会议通知）等，遵照学校相关财务制度按期报销经费。 3.保证项目按计划进行、取得预期成果；要积极参加创新创业大赛、勇于投入实践，参赛情况将作为项目锻炼和展示的重要内容。项目研究成果如论文、调研报告等应进行标注，标注内容为“合肥工业大学??级????项目（项目编号：???）”。 4.项目实施过程中，如因弄虚作假、管理不善造成经费使用不当、无故放弃项目、国家财产损失等现象，学校将视情节轻重收回部分或全部资助经费，情节严重的给予当事人及相关负责人纪律处分。 以上内容本人已认真阅读，若项目获得立项，本人承诺严格遵照执行。

8

金额（元） 180 120 100 500 1000 100 主要用途 进行日常的联系与出行 查阅相关的文献资料 复印打印研究资料 版面费 用于购买模型制作材料 个人劳务报酬 2000 备注

项目负责人签名： 2018年 3月26日 导师意见： 方案可行，同意申报。 签名： 2018年 3月26日 学院评审意见： 单位（盖章）： 负责人签字： 年 月 日 学校专家组评审意见： 专家组组长签字： 年 月 日 9

学校审批意见： 主管部门（盖章）： 负责人签字： 年 月 日

10

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/u3hd.html