1、論文背景 

目(mu)前(qian)遙(yao)(yao)操(cao)(cao)(cao)(cao)作(zuo)(zuo)(zuo)(zuo)(zuo)機(ji)器(qi)人(ren)(ren)(ren)(ren)在(zai)醫療臨床、康復、深海(hai)探測、救援救災等諸(zhu)多領(ling)域得(de)到了(le)(le)廣泛(fan)的(de)(de)(de)(de)(de)應(ying)用(yong)（圖1）。但是在(zai)操(cao)(cao)(cao)(cao)作(zuo)(zuo)(zuo)(zuo)(zuo)過程中(zhong)，由于(yu)人(ren)(ren)(ren)(ren)機(ji)交互(hu)性能不(bu)足、感知(zhi)(zhi)能力不(bu)佳，機(ji)器(qi)人(ren)(ren)(ren)(ren)只能完(wan)(wan)成一(yi)些(xie)簡單、重(zhong)復的(de)(de)(de)(de)(de)任(ren)務(wu)(wu)。例如，操(cao)(cao)(cao)(cao)作(zuo)(zuo)(zuo)(zuo)(zuo)人(ren)(ren)(ren)(ren)員控(kong)制(zhi)機(ji)器(qi)人(ren)(ren)(ren)(ren)執行(xing)pickup任(ren)務(wu)(wu)[1]和維(wei)護任(ren)務(wu)(wu)[2]。為(wei)了(le)(le)解決(jue)上述問題，我們(men)提(ti)出(chu)(chu)了(le)(le)一(yi)種新型的(de)(de)(de)(de)(de)人(ren)(ren)(ren)(ren)機(ji)交互(hu)感知(zhi)(zhi)機(ji)制(zhi)和學(xue)(xue)習算法(fa)來(lai)(lai)提(ti)高遙(yao)(yao)操(cao)(cao)(cao)(cao)作(zuo)(zuo)(zuo)(zuo)(zuo)機(ji)器(qi)人(ren)(ren)(ren)(ren)的(de)(de)(de)(de)(de)操(cao)(cao)(cao)(cao)控(kong)性能。首先(xian)，為(wei)了(le)(le)增強遙(yao)(yao)操(cao)(cao)(cao)(cao)作(zuo)(zuo)(zuo)(zuo)(zuo)系(xi)統(tong)的(de)(de)(de)(de)(de)感知(zhi)(zhi)能力，我們(men)設計(ji)了(le)(le)一(yi)個基(ji)于(yu)肌肉活性的(de)(de)(de)(de)(de)人(ren)(ren)(ren)(ren)機(ji)交互(hu)界面(mian)，提(ti)取操(cao)(cao)(cao)(cao)作(zuo)(zuo)(zuo)(zuo)(zuo)者(zhe)的(de)(de)(de)(de)(de)肌電信號，用(yong)于(yu)對(dui)外(wai)界環境做(zuo)出(chu)(chu)反(fan)應(ying)。通過遙(yao)(yao)操(cao)(cao)(cao)(cao)作(zuo)(zuo)(zuo)(zuo)(zuo)系(xi)統(tong)的(de)(de)(de)(de)(de)觸覺(jue)反(fan)饋和視覺(jue)反(fan)饋，人(ren)(ren)(ren)(ren)類操(cao)(cao)(cao)(cao)作(zuo)(zuo)(zuo)(zuo)(zuo)者(zhe)可以(yi)(yi)自然地作(zuo)(zuo)(zuo)(zuo)(zuo)出(chu)(chu)反(fan)應(ying)，發出(chu)(chu)正確(que)(que)的(de)(de)(de)(de)(de)控(kong)制(zhi)命(ming)令(ling)。肌電信號的(de)(de)(de)(de)(de)強弱隨(sui)著(zhu)操(cao)(cao)(cao)(cao)作(zuo)(zuo)(zuo)(zuo)(zuo)任(ren)務(wu)(wu)的(de)(de)(de)(de)(de)不(bu)同而不(bu)同，同時(shi)人(ren)(ren)(ren)(ren)機(ji)協作(zuo)(zuo)(zuo)(zuo)(zuo)過程中(zhong)的(de)(de)(de)(de)(de)肌肉活性變化、機(ji)器(qi)人(ren)(ren)(ren)(ren)末端執行(xing)器(qi)的(de)(de)(de)(de)(de)軌跡、操(cao)(cao)(cao)(cao)作(zuo)(zuo)(zuo)(zuo)(zuo)者(zhe)的(de)(de)(de)(de)(de)運動，都(dou)可以(yi)(yi)用(yong)來(lai)(lai)表征人(ren)(ren)(ren)(ren)機(ji)協作(zuo)(zuo)(zuo)(zuo)(zuo)任(ren)務(wu)(wu)和意圖。機(ji)器(qi)人(ren)(ren)(ren)(ren)可以(yi)(yi)通過學(xue)(xue)習人(ren)(ren)(ren)(ren)類的(de)(de)(de)(de)(de)操(cao)(cao)(cao)(cao)作(zuo)(zuo)(zuo)(zuo)(zuo)行(xing)為(wei)來(lai)(lai)提(ti)升智(zhi)能化程度(du)(du)，學(xue)(xue)習的(de)(de)(de)(de)(de)內容不(bu)僅(jin)包括(kuo)運動軌跡，還有人(ren)(ren)(ren)(ren)類執行(xing)任(ren)務(wu)(wu)時(shi)的(de)(de)(de)(de)(de)剛度(du)(du)。通過學(xue)(xue)習人(ren)(ren)(ren)(ren)類的(de)(de)(de)(de)(de)操(cao)(cao)(cao)(cao)作(zuo)(zuo)(zuo)(zuo)(zuo)行(xing)為(wei)，遙(yao)(yao)操(cao)(cao)(cao)(cao)作(zuo)(zuo)(zuo)(zuo)(zuo)機(ji)器(qi)人(ren)(ren)(ren)(ren)可以(yi)(yi)獨(du)立完(wan)(wan)成重(zhong)復性任(ren)務(wu)(wu)或者(zhe)不(bu)確(que)(que)定性任(ren)務(wu)(wu)。

圖(tu)1機器人(ren)遙操作示意圖(tu)

2、系(xi)統概(gai)述

如(ru)圖(tu)2所(suo)示(shi)，我們利用從端(duan)機(ji)器人的(de)(de)末(mo)端(duan)執(zhi)行(xing)器來完成執(zhi)行(xing)人機(ji)協(xie)作(zuo)任(ren)(ren)務(wu)(wu)，采用隱半馬爾(er)(er)科(ke)(ke)夫(fu)模(mo)型獲(huo)取人機(ji)協(xie)作(zuo)任(ren)(ren)務(wu)(wu)模(mo)型。在示(shi)教過(guo)(guo)(guo)程中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)，操作(zuo)者可以(yi)通過(guo)(guo)(guo)生(sheng)物信(xin)號感(gan)知(zhi)界面感(gan)知(zhi)操作(zuo)過(guo)(guo)(guo)程中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)外力的(de)(de)變化，實(shi)時調(diao)整(zheng)所(suo)需(xu)的(de)(de)增益/剛度，并將(jiang)其映(ying)射到從端(duan)機(ji)器人的(de)(de)控制器中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)。示(shi)教過(guo)(guo)(guo)程中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)主要考慮了任(ren)(ren)務(wu)(wu)軌(gui)跡(ji)、剛度和力等數據(ju)，通過(guo)(guo)(guo)任(ren)(ren)務(wu)(wu)學習(xi)與(yu)復(fu)現(xian)階段(duan)，形成了人在閉環(huan)系統中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)的(de)(de)技(ji)能建(jian)模(mo)方(fang)案。如(ru)圖(tu)3所(suo)示(shi)，如(ru)圖(tu)該框架中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)將(jiang)人機(ji)協(xie)作(zuo)任(ren)(ren)務(wu)(wu)分為兩個階段(duan)：學習(xi)階段(duan)和復(fu)現(xian)階段(duan)。在學習(xi)階段(duan)，基于隱半馬爾(er)(er)科(ke)(ke)夫(fu)和混(hun)合高斯模(mo)型方(fang)法(fa)可以(yi)對人機(ji)協(xie)作(zuo)任(ren)(ren)務(wu)(wu)進行(xing)學習(xi)，建(jian)立基于運(yun)動軌(gui)跡(ji)的(de)(de)生(sheng)成任(ren)(ren)務(wu)(wu)模(mo)型。在復(fu)現(xian)階段(duan)，基于隱半馬爾(er)(er)科(ke)(ke)夫(fu)和混(hun)合高斯回歸方(fang)法(fa)可以(yi)對生(sheng)成模(mo)型的(de)(de)任(ren)(ren)務(wu)(wu)軌(gui)跡(ji)進行(xing)修(xiu)正，從學習(xi)的(de)(de)任(ren)(ren)務(wu)(wu)中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)復(fu)現(xian)結果[3]。

3、實驗(yan)分析(xi)

操作(zuo)(zuo)者通過(guo)(guo)(guo)Touch X控制Baxter機器(qi)(qi)人(ren)執行(xing)繪(hui)(hui)圖(tu)任(ren)(ren)務(wu)(wu)，整個任(ren)(ren)務(wu)(wu)過(guo)(guo)(guo)程進行(xing)3次人(ren)機協(xie)作(zuo)(zuo)示教(jiao)，繪(hui)(hui)圖(tu)任(ren)(ren)務(wu)(wu)在(zai)一張大小為210mm297mm (A4)的(de)(de)(de)二維空(kong)間內(nei)進行(xing)。圖(tu)4(a)所示為繪(hui)(hui)畫(hua)(hua)任(ren)(ren)務(wu)(wu)的(de)(de)(de)運動軌(gui)跡(ji)和剛(gang)度軌(gui)跡(ji)。灰色(se)曲線(xian)為人(ren)機協(xie)作(zuo)(zuo)繪(hui)(hui)畫(hua)(hua)的(de)(de)(de)軌(gui)跡(ji)，紅色(se)曲線(xian)為任(ren)(ren)務(wu)(wu)生(sheng)成階(jie)(jie)(jie)段(duan)的(de)(de)(de)結(jie)果。生(sheng)成階(jie)(jie)(jie)段(duan)可以劃(hua)分(fen)為6個步驟(zou)(I-VI)和三個子任(ren)(ren)務(wu)(wu)。在(zai)步驟(zou)I和II中，Baxter機器(qi)(qi)人(ren)開(kai)(kai)始繪(hui)(hui)圖(tu)子任(ren)(ren)務(wu)(wu)1。步驟(zou)II和步驟(zou)III，Baxter機器(qi)(qi)人(ren)右臂末端離開(kai)(kai)紙張進行(xing)下一次繪(hui)(hui)圖(tu)操作(zuo)(zuo)。類似地，子任(ren)(ren)務(wu)(wu)2和子任(ren)(ren)務(wu)(wu)3分(fen)別由步驟(zou)III到IV和步驟(zou)V到VI完成。在(zai)任(ren)(ren)務(wu)(wu)學(xue)習階(jie)(jie)(jie)段(duan)，操作(zuo)(zuo)者的(de)(de)(de)手臂剛(gang)度是隨(sui)著(zhu)繪(hui)(hui)畫(hua)(hua)任(ren)(ren)務(wu)(wu)過(guo)(guo)(guo)程的(de)(de)(de)變化而(er)變化。如圖(tu)4(b)所示，Baxter機器(qi)(qi)人(ren)采用(yong)生(sheng)成的(de)(de)(de)剛(gang)度執行(xing)繪(hui)(hui)畫(hua)(hua)任(ren)(ren)務(wu)(wu)。從(cong)圖(tu)4(b)中的(de)(de)(de)(a)-(f)可以得出，Baxter機器(qi)(qi)人(ren)利(li)用(yong)生(sheng)成的(de)(de)(de)模型(xing)成功的(de)(de)(de)完成了繪(hui)(hui)圖(tu)任(ren)(ren)務(wu)(wu)。

4、分析與(yu)結論

本(ben)文提出(chu)了一(yi)種(zhong)新型的(de)(de)觸覺肌(ji)(ji)電感知(zhi)機(ji)(ji)制和基于隱半(ban)馬爾科夫模(mo)型-高(gao)斯混合(he)理論的(de)(de)機(ji)(ji)器人(ren)(ren)學(xue)習框(kuang)架。操作(zuo)者(zhe)通過調節自身的(de)(de)肌(ji)(ji)肉活性來應對(dui)外界(jie)(jie)環境(jing)的(de)(de)變化(hua)，同時觀察和記錄(lu)人(ren)(ren)機(ji)(ji)協(xie)作(zuo)過程中的(de)(de)肌(ji)(ji)肉活動(dong)情(qing)況(kuang)。利用采集的(de)(de)肌(ji)(ji)電信(xin)號(hao)和提出(chu)的(de)(de)任(ren)(ren)務(wu)學(xue)習框(kuang)架，遙操作(zuo)機(ji)(ji)器人(ren)(ren)系統(tong)可(ke)以(yi)自然地(di)與外界(jie)(jie)環境(jing)進行(xing)交互、編碼(ma)人(ren)(ren)機(ji)(ji)協(xie)作(zuo)任(ren)(ren)務(wu)和生成任(ren)(ren)務(wu)模(mo)型，從而提升系統(tong)的(de)(de)類(lei)人(ren)(ren)化(hua)操作(zuo)行(xing)為和智能化(hua)程度。

參考文獻：
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