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，能够扩展人类在工作中的能力和技能。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至今仍不尽如人意。目前，助力系统主要为病人、残疾人及老年人开发，用作医疗保健和康复支持。此外，也有部分助力系统用于其他领域，如婴儿车升降、农业工作者的身体支撑、汽车液压助力、制造业技能辅助、汽车辅助滑动门、自行车辅助控制、运动训练辅助等。

在众多行业中，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。在制造业、采矿业、建筑业、物流运输业、灾害救援、林业和农业等行业，经常需要搬运重物。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，在许多情况下可能无法提供所需的灵活性。因此，使用合适的人机协作系统，如助力系统，可能更适合在工业中搬运重物。然而，目前工业中尚未出现适用于此目的的助力系统，因为其设计尚未得到足够的重视。

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，操作者在使用系统操作物体之前，无法正确感知物体的重量，从而会施加过大的负载力。过大的负载力会导致加速度突然增加、操作者产生恐惧、缺乏机动性和稳定性，甚至引发致命事故。目前虽有一些用于搬运物体的助力系统，但它们在安全性、机动性、可操作性、自然性、稳定性以及与用户的其他交互方面并不理想，因为其控制未考虑人类特性，特别是重量错觉和负载力特征。

在工业实践中，工人会根据物体的物理特征（如形状、大小、质量等）以及任务要求，选择用一只手或两只手操作物体。单手和双手操作在重量感知、负载力和物体运动方面