载人六足机器人人机功能分配及操纵系统设计

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1、对路面环境要求低的优点，它可以自由跨越障碍物、趟过沙地、掠过沼泽等特殊路面。它极强的地形适应能力、行走过程平稳、肢体存在冗余等方面，使仿生六足机器人更能够独立、可靠的适应复杂环境下的运输、侦査以及外星环境探测等各种非结构化作业环境中的工作。对于现代化的六足机器人来说，面向的工作场合都比较复杂、恶劣，而从国内外对其自主控制算法的研宄上来看，还不能完全保证机器人平稳工作的安全性，因此采用人机协同操纵的方式现在看来是必不可少的。与机动车驾驶员驶员相比，足式机器人驾驶员的操纵从重复性的手动操纵模式转换为集监控、判断、决策、执行等一系列复杂的感知控制为一

2、体的操纵模式，这导致了鸾驶员的需求信息与传统的轮式车辆相比信息量更大，判断更复杂、在决策和执行环节中更易出错。在人和机器的功能分配中，综合考虑人和机器的各自特点，既要充分发挥人的主观能动性又要发挥机器的最佳性能，从而使人与机器共同有效的一起工作。六足机器人的操纵系统作为驾驶员与机器人的交互接口，其设计的合理与否关系到驾驶员对环境的监测信息的合理性、判断、决策和执行操作的难易程度，以及机器人能否正确、安全、稳定的运行。木文为保证六足机器人操纵系统设计的合理性、可行性以及人机系统中人与机器性能发挥性能的最佳性。首先对情景意识原则和人机功能分配原则进

3、行分析和应用，并建立多目标模糊决策模型计算得出最佳的分配方案，同时通过硬件搭建和软件的架构的开发，设计出了一套六足机器人操纵系统。最后，根据实验数据验证了操纵系统的合理性和可行性。1操纵系统设计原则及控制策略1.1情境意识原则情境意识概念最早出现在航空心理学中，描述飞行员对作战飞行操纵的理解，随着科技的进步，操作人员的工作由过去以“操作”为主变为监视一决策一控制，操作任务的认知特性也不断增加。在复杂、动态变化的信息环境屮，情境意识是影响操作者决策和绩效的关键因素。研究表明，在一般的驾驶操纵事故中，71%的事故涉及人为差错，这其中81%的事故涉及

4、情境意识错误。因此，融合情境意识原则对整个载人足式机器人的操纵的安全性起着至关重要的作用。情景意识最广泛的定义是Endsley提出的，她提出情境意识就是在一定的时间和空间A，对环境各组成要素的知觉、理解，以及对其近期未?碜刺？的预测。从简单意义上来说，情境意识就是操作人员通过自身的知识、能力经验、感知能力等对所处环境的认知和理解，以此来预测未来的情境。情境意识的基础主要来源于人对环境屮相关成分的感知，而人在感知后做出的相应决策和动作执行属于情境感知的不同阶段。在人-机器-环境系统屮，人通过对机器运行环境的感知信息和机器的状态信息二者进行融合，并

5、通过自身的知识储备从而进行操纵的决策和动作的执行。对于操纵系统而言，驾驶员对于环境信息的感知，既包括机器所处环境的感知也包括机器当前的状态的读取。人的情景意识为一个闭环系统，Endsley情境意识模型如图1所示，人们对情境的感知并非是唯一的，对其影响的因素有很多，其屮包括工作负荷、能力经验训练等；情境意识的结果将影响操纵人员的决策和最终的动作执行，因此要将情景意识理论融入到操纵系统的设计当中。根据情景意识模型在设计本操纵系统时需考虑以下两点：反馈1）在情景感知环节，对于操纵人员来说，从环境中进入到操作人员大脑的信号是未经过任何处理的，操纵人员需

6、要通过自身的“滤波器”过滤掉无意义的信息，而人的注意力资源是有限度的，因此在设计操纵系统之时需要考虑“噪声”信号对操纵人员的影响，设计人机交互界面时尽可能的提取简单、直观、易于理解和判断的信号。2）考虑到不同的人的能力经验是有差异的，而操纵人员的决策对于机器人的运行模式是否合理起着至关重要的作用，为了使驾驶员能够根据实时的环境信息进行准确的决策，编写通用的调用规则，针对不同的环境给出相应决策意见，使操纵人员的决策更加快捷准确。1.2操纵系统控制策略驾驶员根据实际的环境与机器人的状态信息来判断需要运行的控制策略，控制策略主要力3类：人主机辅控制、

7、机主人辅控制、共同控制。人主机辅控制：以人工操纵为主，机器控制为辅的控制策略。当机器人所处环境比较艰难且无法自主行进时，采用人主机辅方式来达到控制机器人行进的目的。在此控制策略下，驾驶员主要负责手动操纵机器人来完成复杂、艰难的任务，机器主要通过驾驶员下发的指令来执行，由于驾驶员在操纵过程中会存在误操纵，或者操纵过量等问题，因此机器的辅助系统会根据传感器的返回数据值弥补操纵人员的操纵失误与不足，辅助操纵人员的控制。机主人辅控制：以机器自主操纵为主，人工协助控制为辅的控制策略。六足机器人在满足其自主运行的环境中，选择此控制策略，当操纵人员下达行进指

8、令后，机器人可根据不同的地形进行自主确定行走路径，通过机身的传感器进行环境感知，可在遭遇大型障碍时自动躲避障碍等。共同控制策略：机器与人共同控制。当机