题目：基于动作基元的拟人臂运动规划与技巧迁移研究

随着机器人技术的研究逐渐由工业机器人转向了服务机器人，越来越多的仿人机器人开始进入人类社会成为我们的同事或同伴。仿人机器人所面临的任务越来越多样化和复杂化，需要配置拟人臂来完成相应的操作。本论文针对拟人臂面向复杂作业任务的任务-运动一体式规划及技巧表达和迁移等问题开展研究。

1. 针对传统方法中仅能在操作空间里对拟人臂末端执行器的位置姿态进行控制的限制，本文提出了一个人臂三角形的概念来描述拟人臂整体的位形和姿态。由于参数化人臂三角形的五个变量均与拟人臂具体的关节结构和尺度无关，因此该方法可以用来表达任意的拟人臂从而具有很好的通用性。由此生成的人臂三角形空间可以看成是连接传统的关节空间和操作空间的中间桥梁，可以很好地控制拟人臂在完成任务的运动过程中的姿态。推导了关节空间、人臂三角形空间及操作空间三个空间之间的相互映射关系，从而建立了新颖的基于人臂三角形的拟人臂运动学。

2. 为了赋予拟人臂拟人化的运动，通过对神经生理学中有关人臂运动的文献调研，给出了如何得到动作基元、如何表达动作基元以及如何连接组织动作基元的人臂运动主要原则。受这些运动原则的启发建立了一个面向拟人臂的“动作基元-动作-任务”三级结构化的运动语言规划框架。在此框架中，从提出的人臂三角形空间和传统的操作空间中设计了若干动作基元类型，构成了一个完整的通用动作基元库。进而，根据人臂运动原则设计了相关的运动语法原则，用于连接和组织这些动作基元从而形成相应的运动文章，用以指导拟人臂完成复杂任务。

3. 揭示了用运动语言描述的运动谱，可以作为表达不同拟人臂实现同一运动技巧从而实现技巧迁移的有效手段。针对构成运动谱的最小运动单位——动作基元，设计了一套变换算法流程，用以将动作基元库中的任意通用动作基元转化为不同拟人臂相应的关节轨迹。通过使不同拟人臂采用具有相同动作基元组织结构的同一运动谱完成相同任务的方式，实现拟人臂的技巧迁移。仿真和实验验证了基于运动语言的技巧迁移方法的合理性和有效性。通过与传统技巧迁移方法对比，结果表明所提出的方法在计算效率、运动过程控制及规避奇异位形等方面具有优势。

4. 基于采用运动语言的拟人臂运动规划，提出了一个专门面向拟人臂的避障方法，用于对规划结果进行避障检测与再规划。采用已知的拟人臂腕部路径和拟人臂自运动旋转角度对拟人臂运动过程中所有可能的位形进行参数化，形成一个二维的全局避障地图，通过将已规划的关节轨迹转化为地图中的自运动旋转曲线来检测其是否完全位于避障地图中的可行区域，从而可判断拟人臂是否会与障碍物发生碰撞。若发生碰撞，则在地图中采用三次样条曲线重新规划自运动旋转曲线来实现避障再规划，仿真结果表明该方法是一个非常直观有效的避障方法。

5. 将拟人臂任务运动规划中的动作基元思想应用于救援工程机械领域。根据救援工程机械所面临的实际任务需求提炼出若干使用频繁的多关节联动动作单元，并将其设计为直观的操作模式，以减少操作人员的规划思考负担并提高他们的操作效率。同时提出了可应用于双臂工程机械的通用双臂自避碰监控方法。为所提出的直感式操作模式和自避碰监控方法编写了相应的控制器程序，并进行了现场调试与测试，试验结果证明了所提出方法的有效性。