20、基于操作者重量感知的物体操作助力机器人建模、仿真与控制

基于操作者重量感知的物体操作助力机器人建模、仿真与控制

1. 引言

助力机器人是一种人机协作系统，能拓展人类执行任务的能力和技能。早在20世纪60年代，“人力放大器”和“Hardiman”的出现标志着助力机器人领域的突破，但该领域的研究进展仍不尽如人意。目前，助力系统主要为病人、残疾人及老年人开发，用于医疗保健和康复支持。此外，也有一些助力系统用于其他应用，如婴儿车助力、农业工作者身体支持、汽车液压助力、制造业技能辅助等。

在许多行业中，搬运重物是常见且必要的工作，这也是助力机器人的一个潜在应用领域。人工搬运重物不仅繁琐，还会导致与工作相关的残疾和疾病，如背痛。而自主系统在处理物体时往往缺乏所需的灵活性。因此，使用合适的人机协作系统，如助力系统，可能是工业中搬运重物的合适选择。然而，目前工业中尚未找到适用于此目的的助力系统，因为其设计尚未得到足够的关注。

助力机器人可以减轻操作者对所操作物体的感知重量，但传统助力系统存在局限性，操作者在操作物体前无法正确感知其重量，从而施加过大的负载力，导致加速度突然增加、操作者恐惧、缺乏机动性和稳定性，甚至引发致命事故。此外，单手和双手操作物体在重量感知、负载力和物体运动方面可能存在差异，这些差异可能会影响控制建模。同时，在工业中，工人需要在不同方向上转移物体，如垂直提升、垂直下降和水平操作，这些方向上的操作在机动性、重量感知、负载力和运动方面可能也存在差异，需要进行研究并反映在控制中。

2. 实验机器人系统：配置、动力学与控制

2.1 配置

开发了一个1自由度（水平平移运动）的助力机器人系统，使用由交流伺服电机驱动的滚珠丝杠组件。滚珠丝杠组件和伺服电机同轴固定在金属板上，金属