Nội dung được dịch bởi AI, chỉ mang tính chất tham khảo
Về kiểm soát sự can thiệp đôi tay giữa con người và robot
Tóm tắt
Khi robot bắt đầu thâm nhập vào môi trường làm việc hàng ngày của con người để hợp tác trong vô số và đa dạng các nhiệm vụ, cấu trúc robot phải tuân thủ và phản ánh các cử chỉ tương tự như con người để giao tiếp hiệu quả. Dù là phục hồi chức năng hay tăng cường, sự tương tác giữa con người và robot ở cánh tay trên là một trong những hình thức hợp tác phổ biến và được nghiên cứu nhiều nhất. Tuy nhiên, hiện tại, các phương pháp kiểm soát robot không thể nắm bắt được những phức tạp thật sự của chuyển động và ý định giống người trong các nhiệm vụ thao tác bằng hai tay đơn giản. Bài báo này tập trung vào việc giới thiệu các phương pháp kiểm soát lấy cảm hứng từ sinh học cho các bộ chuyển động robot phối hợp với con người trong quá trình thao tác đối tượng bằng hai tay. Bằng cách sử dụng dữ liệu thử nghiệm thu được từ những người tham gia thực hiện nhiều nhiệm vụ hàng ngày bằng hai tay, chúng tôi đề xuất một bộ điều khiển lấy cảm hứng sinh học cho cánh tay robot, có khả năng học hỏi sự phối hợp giữa và trong các cánh tay của con người trong những nhiệm vụ đó. Sử dụng các kỹ thuật giảm kích thước để làm rõ các tương quan tuyến tính của cả hai cánh tay trong không gian khớp, chúng tôi lắp ráp và sử dụng các lĩnh vực tiềm năng thu hút robot đến các cấu hình giống như con người. Phương pháp này sau đó được thử nghiệm trên dữ liệu thực nghiệm thực tế qua nhiều nhiệm vụ thao tác bằng hai tay với việc so sánh giữa các bộ điều khiển lấy cảm hứng sinh học và các bộ điều khiển động học ngược truyền thống. Sử dụng một chuỗi động học robot giống hệt như cánh tay con người, các mô hình được đánh giá cho các cấu hình giống người.
Từ khóa
#robot #tương tác con người-robot #thao tác bằng hai tay #điều khiển lấy cảm hứng sinh học #động học ngượcTài liệu tham khảo
Al-Gallaf, E.A.: Multi-fingered robot hand optimal task force distribution: neural inverse kinematics approach. Robot. Auton. Syst. 54(1), 34–51 (2006)
Artemiadis, P.K., Kyriakopoulos, K.J.: EMG-based control of a robot arm using low-dimensional embeddings. IEEE Trans. Robot. 26(2), 393–398 (2010)
Asfour, T., Dillmann, R.: Human-like motion of a humanoid robot arm based on a closed-form solution of the inverse kinematics problem. Proc. IEEE/RSJ Int. Conf. Intell. Robot. Syst. 2, 1407–1412 (2003)
Bagnell, J.A., Cavalcanti, F., Cui, L.: An integrated system for autonomous robotics manipulation. In: IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, pp. 2955–2962 (2012)
Beetz, M., Klank, U., Kresse, I., Maldonado, A., Mösenlechner, L., Pangercic, D., Rühr, T., Tenorth, M.: Robotic roommates making pancakes. In: 11th IEEE-RAS International Conference on Humanoid Robots (2011)
Berg, J., Miller, S., Goldberg, K., Abbeel, P.: Gravity-Based Robotic Cloth Folding, pp 409–424. Springer Berlin Heidelberg (2011)
Billard, A.: Learning human arm movements by imitation: evaluation of a biologically inspired connectionist architecture. Robot. Auton. Syst. 941, 1–16 (2001)
Caggiano, V., De Santis, A., Siciliano, B., Chianese, A.: A biomimetic approach to mobility distribution for a human-like redundant arm. In: Proceedings of the IEEE/RAS-EMBS International Conference on Biomedical Robotics and Biomechatronics, pp. 393–398 (2006)
Cardoso de Oliveira, S.: The neuronal basis of bimanual coordination: recent neurophysiological evidence and functional models. Acta Psychol. 110(2), 139–159 (2002)
Cruse, H., Wischmeyer, E., Bruser, M., Brockfeld, P., Dress, A.: On the cost functions for the control of the human arm movement. Biol. Cybern. 62(6), 519–528 (1990)
Cutkosky, M.R.: On grasp choice, grasp models, and the design of hands for manufacturing tasks. IEEE Trans. Robot. Autom. 5(3), 269–279 (1989)
Debaere, F., Wenderoth, N., Sunaert, S., Van Hecke, P., Swinnen, S.P.: Cerebellar and premotor function in bimanual coordination: parametric neural responses to spatiotemporal complexity and cycling frequency. Neuroimage 21(4), 1416–1427 (2004)
Do, M., Azad, P., Asfour, T., Dillmann, R.: Imitation of human motion on a humanoid robot using non-linear optimization. In: 8th IEEE-RAS International Conference on Humanoid Robots, pp. 545–552 (2008)
Flash, T., Hogan, N.: The coordination of arm movements: an experimentally confirmed mathematical model. J. Neurosci. 5, 1688–1703 (1985)
Gamage, S.S.H.U., Lasenby, J.: New least squares solutions for estimating the average centre of rotation and the axis of rotation. J. Biomech. 35(1), 87–93 (2002)
Gharbi, M., Cortes, J., Simeon, T.: A sampling-based path planner for dual-arm manipulation. In: IEEE/ASME International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics, 2008. AIM 2008, pp. 383–388 (2008)
Gribovskaya, E., Billard, A.: Combining dynamical systems control and programming by demonstration for teaching discrete bimanual coordination tasks to a humanoid robot. In: 3rd ACM/IEEE International Conference on Human-Robot Interaction, pp. 33–40 (2008)
Härtl, H.: Dextrous manipulation with multifingered robot hands including rolling and slipping of the fingertips. Robot. Auton. Syst. 14(1), 29–53 (1995)
Hwang, M.J., Lee, D.Y., Chung, S.Y.: Motion Planning of bimanual robot for assembly. In: IEEE International Conference on Systems, Man and Cybernetics, 2007. ISIC, pp. 240–245 (2007)
Jackson, J.E.: A user’s guide to principal components, vol. 587. Wiley (2005)
Khatib, O.: Real-time obstacle avoidance for manipulators and mobile robots. Int. J. Robot. Res. 5(1), 90–98 (1986)
Kim, C., Kim, D., Oh, Y.: Solving an inverse kinematics problem for a humanoid robots imitation of human motions using optimization. In: Proceedings of International Conference on Informatics in Control Automation and Robotics, pp. 85–92 (2005)
Kulic, D., Takano, W., Nakamura, Y.: Representability of human motions by factorial hidden markov models. In: Proceedings of IEEE/RSJ International Conference Intelligent Robots and Systems, pp. 2388–2393 (2007)
Lee, J., Sato, M., Wada, Y., Koike, Y.: Extraction of motor primitive in consideration of arm posture, movement direction and velocity using hidden markov model. In: Proceedings of the IEEE-EMBS Annual International Conference of the Engineering in Medicine and Biology Society, pp. 4385–4388 (2005)
McLachlan, G., Peel, D.: Finite Mixture Models. Wiley (2004)
Mohan, V., Morasso, P., Metta, G., Sandini, G.: A biomimetic, force-field based computational model for motion planning and bimanual coordination in humanoid robots. Auton. Robot. 27(3), 291–307 (2009)
Pollard, N.S., Hodgins, J.K., Riley, M. J., Atkeson, C. G.: Adapting human motion for the control of a humanoid robot. Proc. IEEE Int. Conf. Robot. Autom. 2, 1390–1397 (2002)
Potkonjak, V., Popovic, M., Lazarevic, M., Sinanovic, J.: Redundancy problem in writing: from human to anthropomorphic robot arm. IEEE Trans. Syst. Man Cybern. B 28, 790–805 (1998)
Ruhr, T., Sturm, J., Pangercic, D., Beetz, M., Cremers, D.: A generalized framework for opening doors and drawers in kitchen environments. In: Proceedings IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA), pp. 3852–3858 (2012)
Schaal, S., Kotosaka, S., Sternad, D.: Nonlinear dynamical systems as movement primitives. In: IEEE International Conference on Humanoid Robotics, pp. 1–11 (2000)
Sciavicco, L., Siciliano, B.:Modeling and Control of Robot Manipulators. Springer (2000)
Shi, J.Q., Choi, T.: Gaussian Process Regression Analysis for Functional Data. CRC Press (2011)
Sian, N., Sakaguchi, T., Yokoi, K., Kawai, Y.: Operating humanoid robots in human environments. In: Proceedings of the Robotics, Science & Systems Workshop on Manipulation for Human Environments, Philadelphia (2006)
Smith, C., Karayiannidis, Y., Nalpantidis, L., Gratal, X., Qi, P., Dimarogonas, D. V., Kragic, D.: Dual arm manipulation—a survey. Robot. Auton. Syst. 60, 1340–1353 (2012)
Steffen, J., Elbrechter, C., Haschke, R., Ritter, H.: Bio-inspired motion strategies for a bimanual manipulation task. In: 2010 10th IEEE-RAS International Conference on Humanoid Robots (Humanoids), pp. 625–630 (2010)
Steffen, J., Pardowitz, M., Ritter, H.: Using structured UKR manifolds for motion classification and segmentation. In: IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, pp. 4785–4790 (2009)
Temprado, J.J., Swinnen, S.P., Carson, R.G., Tourment, A., Laurent, M.: Interaction of directional, neuromuscular and egocentric constraints on the stability of preferred bimanual coordination patterns, Human movement science (2003)
Inamura, T., Toshima, I., Tanie, H., Nakamura, Y.: Embodied symbol emergence based on mimesis theory. Int. J. Robot. Res. 23(3–5), 363–377 (2004)
Treffner, P.J., Turvey, M.T.: Symmetry, broken symmetry, and handedness in bimanual coordination dynamics. Exp. Brain Res. 107(3), 463–478 (1996)
Ude, A., Atkeson, C.G., Riley, M.: Programming full-body movements for humanoid robots by observation. Robot. Auton. Syst. 47(2), 93–108 (2004)
Uno, Y., Kawato, M., Suzuki, R.: Formation and control of optimal trajectory in human multijoint arm movement. Biol. Cybern. 61, 89–101 (1989)
Zacharias, F., Leidner, D., Schmidt, F., Borst, C., Hirzinger, G.: Exploiting structure in two-armed manipulation tasks for humanoid robots. In: 2010 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS), pp. 5446–5452 (2010)
Zhuang, J., LaConte, S., Peltier, S., Zhang, K., Hu, X.: Connectivity exploration with structural equation modeling: an fMRI study of bimanual motor coordination. Neuroimage 25(2), 462–470 (2005)
Zollner, R, Asfour, T, Dillmann, R.: Programming by demonstration: dual-arm manipulation tasks for humanoid robots. In: 2004 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, vol. 1, pp. 479–484 (2004)