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人形机器人在医疗、教育、娱乐等领域有广泛的应用前景，其机械结构和控制算法得到了学术界和商业公司的大量研究，但要实现人形机器人在非结构化和动态环境中完成复杂任务仍面临挑战。人形化身机器人技术是一种新式的机器人技术，该技术的目的是实现操作者与机器人的感觉同步与运动同步，由操作者做出行动判断，该技术具有远程完成复杂任务的潜力。然而，该技术的研究成果少，实现感觉同步与运动同步的技术还不成熟。因此，以实现多源信息融合的人形化身机器人系统为目标，对人形化身机器人的硬件、软件和算法进行了研究。
本课题提出了一种由机器人终端、上位机和穿戴控制端组成的人形化身机器人系统，完成了操作者与机器人的运动同步、视觉同步和触觉反馈。在机器人终端，设计了具有 27 个自由度的人形机器人，其上半身具有仿人的关节配置，其搭载了摄像头用于图像采集，搭载了压力传感器用于触觉信号采集；在穿戴控制端，搭建了基于姿态传感器、体感手套和调速踏板的人体运动检测系统，完成了对操作者动作的精确采集；另外，使用VR眼镜和振动马达完成了对操作者的视觉反馈和触觉反馈。
基于ROS2 实现了多节点的控制和反馈系统，完成了低延迟的数据跨设备传输，最终在各设备间形成了多模态的数据通信网络。设计了由 3 种不同交互方式构成的上位机交互软件系统：图形化界面软件实现了操作者与上位机之间的可视化交互；语音交互软件实现了非接触式、非视觉的指令发布和信息查看功能；仿真软件则具有离线仿真和在线运动监测功能。
通过对运动同步、视觉同步和触觉反馈的联合测试，证明了系统能够实现操作者与机器人的感觉同步与运动同步；通过将改进DH参数法应用于机器人完成了机器人身体和手臂的运动学模型的精确建立，并利用蒙特卡罗法实现了机器人末端执行器工作空间的可视化。
本课题从人形化身机器人系统搭建、控制方案的设计与实现、交互式软件设计和系统测试与评估 4 个方面进行了研究。
人形化身机器人系统由 3 个部分组成：机器人终端、上位机和穿戴控制端。机器人终端的硬件结构包括其机械结构和电路结构。本课题仿照人体关节结构，设计了机器人机械结构，其共有 27 个自由度。机器人头部搭载了摄像头用于完成图像采集；机器人各手指均搭载了压力传感器用于产生触觉反馈信号。机器人供电网络为树形拓扑结构，通过对各电路元件的电流和功率进行校核，证明了机器人的各电路元件能够在最大载荷条件下正常工作。
穿戴控制端通过姿态传感器采集操作者头部、身体、大臂和小臂的姿态，通过体感手套完成操作者手掌姿态、手指动作的采集和触觉反馈的实现，通过调速踏板实现操作者对机器人移动指令的发布，通过VR眼镜完成视觉反馈。
人形化身机器人系统由 4 条数据链组成：姿态传感器与体感手套数据链、踏板数据链、图像数据链和压力传感器数据链。姿态传感器与体感手套数据链完成了操作者与机器人的运动同步，通过坐标变换得到了姿态传感器数据与机器人各关节转角之间的映射关系；踏板数据链完成了将调速踏板数据转换为机器人移动和转向；图像数据链完成了操作者与机器人的视觉同步，操作者可实时看到机器人的视角画面；压力传感器数据链完成了触觉反馈的功能，操作者可通过振动马达模拟触觉。4 条数据链都跨越了穿戴控制端、上位机和机器人终端，且通过ROS2 DDS网络或UDP协议在上位机和机器人终端之间建立通信。
4 条数据链通过ROS2 的分布式节点结构实现了功能分离，通过话题发布和订阅的方式在各节点间建立通信。为了在 4 条数据链之间建立联系，编写了辅助控制程序用于指令发布和信息显示。
设计了由 3 种不同交互方式构成的上位机交互软件系统：图形化界面软件，语音交互软件和仿真软件。
为了更直观地进行系统操作，设计了图形化界面软件，其可实现操作者与上位机之间的可视化交互，可完成指令发布、信息显示等功能；为了便于操作者穿戴传感器控制机器人时进行系统操作，设计了语音交互软件，其借助关键词语音唤醒、语音识别和语音合成技术实现了非接触式、非视觉的交互功能；另外，为了全局化地进行机器人的运动状态监测，设计了仿真软件，其可以在机器人终端与上位机未连接时提供仿真功能，在机器人终端与上位机连接时提供机器人全局动作监测功能。
人形化身机器人系统的总目标是要实现运动同步、触觉反馈和视觉同步，因此其同步效果是整个系统最重要的技术指标。通过评估系统的运动同步效果、机器人视角同步效果和触觉反馈成功率，并对运动同步、机器人视角同步与仿真机器人动作同步进行联合测试，证明了人形化身机器人系统能够完成视觉和触觉反馈，能够完成操作者、机器人和仿真机器人的同步运动。测算得到在局域网条件下，机器人的运动同步平均延迟约 100 ms，视觉同步平均延迟约30 ms，证明了系统的低延迟性。
机器人的工作空间是机器人末端执行器工作区域的描述，是衡量机器人性能的重要指标。通过将改进DH参数法应用于机器人完成了机器人身体和手臂的运动学模型的精确建立，并利用蒙特卡罗法绘制了机器人末端执行器（手部）的工作空间点云图，各执行器的工作空间约为 1 /2 个半径为 640 mm的球体空间，借助点云图可直观地评估机器人抓取物品和执行任务的活动范围。
（1）通过对人体自由度进行简化，设计了具有 27 个自由度的人形机器人，其上半身具有仿人的关节配置，下半身为轮式结构。
（2）搭建了基于姿态传感器、体感手套和调速踏板的人体运动检测系统和基于摄像头和压力传感器的机器人反馈系统，通过对姿态、位置、压力、视觉等多源信息进行融合实现了操作者与机器人的运动同步、视角同步和触觉反馈。
（3）设计了图形化界面、语音交互和仿真软件 3 种形式的交互式软件系统，实现了指令发布、信息显示、离线仿真和在线状态监测的功能。
（4）机器人运动同步延迟约 100 ms，视觉同步延迟约 30 ms，具有低延迟性。机器人手部工作空间约为 1 /2 个球体空间。
（1）设计了具有 27 个自由度的人形机器人。
（2）完成了姿态、位置、压力、视觉等多源信息的融合，实现了多种形式的同步系统。
（3）设计了图形化界面、语音交互和仿真软件 3 种形式的交互式软件系统。
（4）申请了一项软件著作权“化身机器人信息交互平台”。
机器人三维模型如图 1 所示，机器人实物如图 2 所示。
图 1 机器人三维模型图
图 2 机器人实物图
高校指导教师：郭艳婕；企业指导教师：刘晋东