项目名称人机交互力反馈遥操作机器人关键技术及应用

项目名称：人机交互力反馈遥操作机器人关键技术及应用

完成人：宋爱国，宋光明，李会军，唐鸿儒，崔建伟，赵国普，徐宝国，吴涓，李建清，卢伟，包加桐

完成单位：东南大学，扬州大学

项目简介：

人机交互力反馈遥操作机器人系统将人的知识智慧与机器人的适应性相结合，通过人与机器人之间传感与控制信息的交互，可以实现各种远地环境或危险环境中的复杂作业任务，是当前各发达国家竞相发展的高技术。随着人机交互遥操作机器人在远程作业、远程监控、远程制造、远程医疗等领域的应用，迫切需要解决多个技术难题与技术瓶颈。本项目针对人机交互力反馈遥操作机器人的力感知、力反馈、大时延控制和人机交互界面设计等关键技术，经过十多年系统深入的研究，突破了多项核心技术，研制成功人机交互遥操作的关键支撑设备，填补了国内空白，并在多个重要领域得到成功应用。

本项目的技术创新点：（1）提出了一种自解耦的机器人多维力传感器的敏感单元设计方法，从传感器的结构设计上有效降低了多维力传感器的维间耦合效应；提出了一种基于误差建模的多维力传感器解耦算法，提高了多维力传感器的测量精度，测量精度可达1%F.S.。（2）提出了一种基于磁流变液控制的无源力觉再现方法，解决了大量程力反馈人机交互设备的体积大、惯性大与不安全问题，实现了大量程安全柔性的力触觉人机交互。提出了一种基于并联机构的异构式机器人力反馈手控器设计方法，解决了力反馈手控器三维平动和三维转动之间运动与力的耦合问题，六维运动位置测量精度达1%F.S.，力反馈精度达2%F.S.。（3）针对人机交互力反馈遥操作机器人在双边通讯环节上存在的短时延（≤2 秒）造成的不稳定问题，提出了力反馈遥操作机器人的多模式控制技术和自适应阻抗匹配无源控制算法，解决了短时延情况下力反馈遥操作机器人的稳定性和操作性问题；针对人机交互力反馈遥操作机器人在双边通讯环节上存在的大时延（>2 秒）造成的不稳定难题，提出了基于虚拟环境建模的力反馈遥操作机器人预测控制技术，给出了基于滑动最小二乘法的环境动力学参数在线辨识算法和模型滚动修正方法，解决了大时延情况下力反馈遥操作机器人稳定性和操作性问题。（4）提出了以提高人的感知能力为目标的交互式力反馈遥操作机器人的多感知界面设计方法，并针对人机交互界面力触觉感知与视觉感知的协调同步问题，提出了一种分布式力触觉交互的快速计算算法和无源稳定性判据，实现了多感知通道人机交互方式下具有力觉临场感的遥操作。

本项目获国家发明专利授权33项；获实用新型专利授权5项；获计算机软件著作权2项。发表论文186，其中SCI收录65篇，EI收录107篇，论文被他人引用1200多次，其中SCI他引375次，并在国际遥控机器人会议上作大会特邀报告。本项目相关成果曾获2010年国家知识产权局中国专利优秀奖、2012年与2013年日内瓦国际发明金奖等。

本成果不仅在我国载人航天与探月工程中得到应用，而且在国内首次应用于核反应堆的安全巡检与应急处置。该成果还在智能工程机械、工业机器人、大型泵站远程监控、野生动物探查保护等重要领域得到应用或产业化，取得了重大的社会效益和经济效益，近三年新增产值9.5117亿元，新增利税2.2199亿元，间接经济效益20多亿元。