華南理工大學羅晶博士和楊辰光教授團隊發(fā)文提出遙操作機器人交互感知與學習算法

1、論文背景 

目前遙操作機器人在醫(yī)療臨床、康復、深海探測、救援救災等諸多L域得到了廣泛的應用（圖1）。但是在操作過程中，由于人機交互性能不足、感知能力不佳，機器人只能完成一些簡單、重復的任務。例如，操作人員控制機器人執(zhí)行pickup任務[1]和維護任務[2]。為了解決上述問題，我們提出了一種新型的人機交互感知機制和學習算法來提G遙操作機器人的操控性能。首先，為了增強遙操作系統(tǒng)的感知能力，我們設計了一個基于肌肉活性的人機交互界面，提取操作者的肌電信號，用于對外界環(huán)境做出反應。通過遙操作系統(tǒng)的觸覺反饋和視覺反饋，人類操作者可以自然地作出反應，發(fā)出正確的控制命令。肌電信號的強弱隨著操作任務的不同而不同，同時人機協(xié)作過程中的肌肉活性變化、機器人末端執(zhí)行器的軌跡、操作者的運動，都可以用來表征人機協(xié)作任務和意圖。機器人可以通過學習人類的操作行為來提升智能化程度，學習的內容不僅包括運動軌跡，還有人類執(zhí)行任務時的剛度。通過學習人類的操作行為，遙操作機器人可以獨立完成重復性任務或者不確定性任務。

圖1機器人遙操作示意圖

2、系統(tǒng)概述

如圖2所示，我們利用從端機器人的末端執(zhí)行器來完成執(zhí)行人機協(xié)作任務，采用隱半馬爾科夫模型獲取人機協(xié)作任務模型。在示教過程中，操作者可以通過生物信號感知界面感知操作過程中外力的變化，實時調整所需的增益/剛度，并將其映射到從端機器人的控制器中。示教過程中主要考慮了任務軌跡、剛度和力等數據，通過任務學習與復現(xiàn)階段，形成了人在閉環(huán)系統(tǒng)中的技能建模方案。如圖3所示，如圖該框架中將人機協(xié)作任務分為兩個階段：學習階段和復現(xiàn)階段。在學習階段，基于隱半馬爾科夫和混合G斯模型方法可以對人機協(xié)作任務進行學習，建立基于運動軌跡的生成任務模型。在復現(xiàn)階段，基于隱半馬爾科夫和混合G斯回歸方法可以對生成模型的任務軌跡進行修正，從學習的任務中復現(xiàn)結果[3]。

3、實驗分析

操作者通過Touch X控制Baxter機器人執(zhí)行繪圖任務，整個任務過程進行3次人機協(xié)作示教，繪圖任務在一張大小為210mm297mm (A4)的二維空間內進行。圖4(a)所示為繪畫任務的運動軌跡和剛度軌跡�；疑�曲線為人機協(xié)作繪畫的軌跡，紅色曲線為任務生成階段的結果。生成階段可以劃分為6個步驟(I-VI)和三個子任務。在步驟I和II中，Baxter機器人開始繪圖子任務1。步驟II和步驟III，Baxter機器人右臂末端離開紙張進行下一次繪圖操作。類似地，子任務2和子任務3分別由步驟III到IV和步驟V到VI完成。在任務學習階段，操作者的手臂剛度是隨著繪畫任務過程的變化而變化。如圖4(b)所示，Baxter機器人采用生成的剛度執(zhí)行繪畫任務。從圖4(b)中的(a)-(f)可以得出，Baxter機器人利用生成的模型成功的完成了繪圖任務。

4、分析與結論

本文提出了一種新型的觸覺肌電感知機制和基于隱半馬爾科夫模型-G斯混合理論的機器人學習框架。操作者通過調節(jié)自身的肌肉活性來應對外界環(huán)境的變化，同時觀察和記錄人機協(xié)作過程中的肌肉活動情況。利用采集的肌電信號和提出的任務學習框架，遙操作機器人系統(tǒng)可以自然地與外界環(huán)境進行交互、編碼人機協(xié)作任務和生成任務模型，從而提升系統(tǒng)的類人化操作行為和智能化程度。

參考文獻：
[1] Penco L, Scianca N, Modugno V, et al. A MultimodeTeleoperation Framework for Humanoid Loco-Manipulation: An Application for the iCub Robot. IEEE Robotics & Automation Magazine, 2019, 26(4): 73-82.
[2] MaddahiY, Zareinia K, Sepehri N. An augmented virtual fixture to improve task performance in robot-assisted live-line maintenance. Computers & Electrical Engineering, 2015, 43: 292-305.
[3] Yang C, Luo J, Liu C, et al. Haptics electromyography perception and learning enhanced intelligence for teleoperated robot. IEEE Transactions on Automation Science and Engineering, 2018, 16(4): 1512-1521.