Biologically Inspired Control of Humanoid Robot Arms: Robust and Adaptive Approaches

این کتاب یک روش الهام گرفته از بیولوژیکی کنترل بازوی ربات را بررسی می‌کند که با هدف سنتز حرکت انسان‌مانند به صورت دینامیکی، با استفاده از تکنیک‌های کنترل غیرخطی، قوی و تطبیقی ​​در سیستم‌های ربات عملی توسعه یافته است. روش کنترل به افزایش علاقه به روبات‌های انسان‌نما و نیاز به طرح‌های کنترلی مناسب برای مطابقت با این سیستم‌ها پاسخ می‌دهد. برخلاف طرح‌های سینماتیک کلاسیک که در دستکاری‌کننده‌های صنعتی استفاده می‌شود، رویکردهای دینامیکی پیشنهاد شده در اینجا حرکت انسان‌مانند را با بهره‌برداری بهتر از ساختار فیزیکی ربات ترویج می‌کنند. این به تعامل انسان و ربات نیز سود می‌رساند.

طرح‌های کنترلی پیشنهاد شده در این کتاب از انبوهی از ادبیات حرکت انسان الهام گرفته شده است که نشان می‌دهد محرک‌های حرکت پویا، مبتنی بر مدل و بهینه هستند. چنین ملاحظاتی به خوبی از طریق تکنیک‌های کنترل غیرخطی بدون نیاز به مدل‌های بیولوژیکی گسترده و پیچیده به دست می‌آیند.

روش فضای عملیاتی کنترل ربات اساس بسیاری از تکنیک‌های بررسی‌شده در این کتاب را تشکیل می‌دهد. این روش شامل ویژگی های جذابی مانند جداسازی حرکت به اجزای وظیفه و وضعیت است. تحولات مختلفی در هر یک از این عناصر ایجاد شده است. توابع هزینه ساده با الهام از "تلاش" و "ناراحتی" بیومکانیکی باعث ایجاد حرکت وضعیت واقعی می شود. تکنیک‌های حالت کشویی برای اجرای عملی بر کاستی‌های استحکام غلبه می‌کنند. انطباق بازو از طریق روشی از کنترل تطبیقی ​​بدون مدل به دست می آید که همچنین با اشباع محرک از طریق جبران ضد باد کردن سروکار دارد. یک طرح یادگیری مبتنی بر مشاهده مبتنی بر شبکه عصبی، بر اساس داده‌های ضبط حرکت ثبت‌شده از داوطلبان انسانی، حرکات وظیفه جدیدی ایجاد می‌کند. در بخش‌های دیگر کتاب از motion capture برای آزمایش تئوری‌های حرکت انسان استفاده شده است. همه کنترل‌کننده‌های توسعه‌یافته برای حرکت دستیابی بازوی ربات انسان‌نما اعمال می‌شوند و نشان داده شده‌اند که عملاً قابل تحقق هستند.

این کتاب به گونه‌ای طراحی شده است که برای کسانی که مایل به دستیابی به ربات انسان‌مان مبتنی بر دینامیک هستند، جالب باشد. حرکت بازو در تحقیقات دانشگاهی، مطالعات پیشرفته یا محیط های صنعتی خاص. این کتاب انگیزه ها، بررسی های گسترده، نتایج تحقیقات و توضیحات مفصل را ارائه می دهد. این نه تنها برای مهندسان کنترلی مجرب مناسب است، بلکه برای رباتیک‌های عمومی که مایلند تخصص سیستم‌های کنترل را در این زمینه توسعه دهند نیز قابل استفاده است.

This book investigates a biologically inspired method of robot arm control, developed with the objective of synthesising human-like motion dynamically, using nonlinear, robust and adaptive control techniques in practical robot systems. The control method caters to a rising interest in humanoid robots and the need for appropriate control schemes to match these systems. Unlike the classic kinematic schemes used in industrial manipulators, the dynamic approaches proposed here promote human-like motion with better exploitation of the robot’s physical structure. This also benefits human-robot interaction.

The control schemes proposed in this book are inspired by a wealth of human-motion literature that indicates the drivers of motion to be dynamic, model-based and optimal. Such considerations lend themselves nicely to achievement via nonlinear control techniques without the necessity for extensive and complex biological models.

The operational-space method of robot control forms the basis of many of the techniques investigated in this book. The method includes attractive features such as the decoupling of motion into task and posture components. Various developments are made in each of these elements. Simple cost functions inspired by biomechanical “effort” and “discomfort” generate realistic posture motion. Sliding-mode techniques overcome robustness shortcomings for practical implementation. Arm compliance is achieved via a method of model-free adaptive control that also deals with actuator saturation via anti-windup compensation. A neural-network-centered learning-by-observation scheme generates new task motions, based on motion-capture data recorded from human volunteers. In other parts of the book, motion capture is used to test theories of human movement. All developed controllers are applied to the reaching motion of a humanoid robot arm and are demonstrated to be practically realisable.

This book is designed to be of interest to those wishing to achieve dynamics-based human-like robot-arm motion in academic research, advanced study or certain industrial environments. The book provides motivations, extensive reviews, research results and detailed explanations. It is not only suited to practising control engineers, but also applicable for general roboticists who wish to develop control systems expertise in this area.