基于體感機(jī)械臂的舒適控制算法設(shè)計(jì)研究*

千承輝，施　震，白　楊，欒　卉

(吉林大學(xué) 儀器科學(xué)與電氣工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春130026)

基于體感機(jī)械臂的舒適控制算法設(shè)計(jì)研究*

千承輝，施震，白楊，欒卉

(吉林大學(xué) 儀器科學(xué)與電氣工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春130026)

分析人體手臂在體感控制中的舒適程度，依據(jù)疲勞度理論建立手臂舒適范圍空間模型。采用體感方式控制機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)，通過(guò)徑向測(cè)試實(shí)驗(yàn)與點(diǎn)陣指定實(shí)驗(yàn)測(cè)試手臂的舒適參數(shù)，擬合控制映射函數(shù)，提出基于體感機(jī)械臂的舒適控制算法。通過(guò)動(dòng)作跟蹤與遠(yuǎn)程抓物實(shí)驗(yàn)，測(cè)得用舒適算法控制機(jī)械手的相對(duì)誤差在5%以內(nèi)，尖端位置絕對(duì)誤差在2mm以內(nèi)，舒適度比傳統(tǒng)控制算法提高51.8%，在滿足體感控制準(zhǔn)確度的基礎(chǔ)上較大程度保證了使用者的舒適性，提高了體感控制效率。

舒適度；體感技術(shù)；疲勞度；機(jī)械臂；舒適控制算法

0　引言

體感技術(shù)是指通過(guò)做出肢體動(dòng)作而無(wú)需操作任何復(fù)雜的控制設(shè)備就可以身臨其境的人機(jī)互動(dòng)技術(shù)[1]。區(qū)別于按鍵與觸摸等傳統(tǒng)的交互方式，體感技術(shù)提升了操作的靈活性、直觀性，在游戲、移動(dòng)應(yīng)用、運(yùn)動(dòng)康復(fù)、虛擬學(xué)習(xí)系統(tǒng)等領(lǐng)域中，有著越來(lái)越廣泛的應(yīng)用[2-5]。

目前的體感機(jī)械臂控制算法中，對(duì)于人手臂與機(jī)械臂姿態(tài)之間的映射，主要是基于幾何關(guān)系求其運(yùn)動(dòng)學(xué)正反解[6]，其核心思想是進(jìn)行線性映射，令機(jī)械手臂完全模仿人的手臂姿態(tài)。而人體手臂構(gòu)造與機(jī)械不同，手臂的生理結(jié)構(gòu)決定了其不具備機(jī)械關(guān)節(jié)那樣完全的自由度[7]，而且考慮到力度、能量消耗等因素，手臂做出不同動(dòng)作的難易程度也不盡相同。這就導(dǎo)致在操作機(jī)械手臂完成一系列動(dòng)作的過(guò)程中操作者容易疲勞，效率較低，不能長(zhǎng)時(shí)間作業(yè)。

為了減輕使用者的疲勞度，提高控制的舒適性和效率，考慮人手臂的舒適程度以及能量消耗等因素的影響，提出一種基于映射關(guān)系的體感機(jī)械臂舒適控制算法。

1　系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1總體設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)了機(jī)械臂體感控制系統(tǒng)，總體分為運(yùn)動(dòng)采集模塊、機(jī)械臂控制模塊、機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)模塊三部分，如圖1所示。

運(yùn)動(dòng)采集模塊采集人手臂的姿態(tài)信息，經(jīng)過(guò)姿態(tài)解算和無(wú)線傳輸?shù)竭_(dá)主控制器，通過(guò)舒適控制算法的處理，實(shí)現(xiàn)從手臂姿態(tài)到機(jī)械臂動(dòng)作之間的映射，令機(jī)械臂的肩、肘以及腕關(guān)節(jié)處的舵機(jī)轉(zhuǎn)到目標(biāo)角度，實(shí)現(xiàn)體感控制機(jī)械臂。

1.2機(jī)械臂系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為減少加工機(jī)械臂結(jié)構(gòu)所消耗的時(shí)間和成本，利用博創(chuàng)機(jī)器人套件的舵機(jī)及其可組裝散件，搭建了五自由度剛性機(jī)械臂，并以人肩部為原點(diǎn)建立手臂平面坐標(biāo)系，如圖2所示。分析體感姿態(tài)用到了運(yùn)動(dòng)學(xué)正反解算法，采集手臂角度α、β，解算后映射到右側(cè)機(jī)械臂的五個(gè)關(guān)節(jié)處舵機(jī)轉(zhuǎn)角（圖1中①～⑤），實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂定位。

圖1　系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

圖2　人體手臂模型與機(jī)械臂結(jié)構(gòu)圖

基于慣性體感技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種集成MPU6050陀螺儀模塊、24L01無(wú)線發(fā)射模塊和 STM32單片機(jī)于一體的小型可穿戴式無(wú)線姿態(tài)監(jiān)測(cè)模塊，通過(guò)通信組網(wǎng)，將實(shí)時(shí)采集到的姿態(tài)信息經(jīng)運(yùn)算處理傳回主控制器。

1.3算法設(shè)計(jì)流程

依據(jù)現(xiàn)有疲勞度理論，結(jié)合體感機(jī)械臂控制實(shí)驗(yàn)，為人手臂較為舒適的控制區(qū)域建立空間模型。用體感機(jī)械臂裝置做大量樣本實(shí)驗(yàn)，實(shí)測(cè)舒適區(qū)域的樣本，與理論計(jì)算結(jié)果比對(duì)，用數(shù)學(xué)方法擬合并確立舒適空間。以測(cè)得的手臂舒適區(qū)域作為反饋，進(jìn)一步優(yōu)化和改進(jìn)算法，修正動(dòng)作映射關(guān)系，最終確立舒適控制算法。

2　舒適空間預(yù)測(cè)

舒適是一個(gè)模糊的概念，目前尚無(wú)公認(rèn)的量化指標(biāo)，但仍有一些研究成果可以借鑒。通過(guò)理論分析和計(jì)算得出量化指標(biāo)，進(jìn)而分析舒適度情況。

結(jié)合體感舒適性相關(guān)領(lǐng)域研究[8-10]，可以推測(cè)人手舒適范圍應(yīng)具備以下特征：舒適度范圍可能與手臂運(yùn)動(dòng)角度、方向以及速度有關(guān)；為了簡(jiǎn)化計(jì)算，取速度為60°/s，結(jié)合體感機(jī)械臂控制實(shí)踐，考慮手臂肘關(guān)節(jié)的伸展和彎曲兩個(gè)方向（對(duì)應(yīng)于坐標(biāo)系中y軸運(yùn)動(dòng)），肩關(guān)節(jié)的內(nèi)曲和外展方向（對(duì)應(yīng)于坐標(biāo)系中x軸運(yùn)動(dòng))計(jì)算舒適度，繪出的滿足舒適性條件的直角坐標(biāo)形式如圖3所示。

結(jié)合計(jì)算結(jié)果分析可知，在假定簡(jiǎn)化模型的條件下，手臂的舒適控制區(qū)域偏坐標(biāo)系左下方，成橢球形。為了進(jìn)一步確定手臂的舒適控制區(qū)域，設(shè)計(jì)了讓實(shí)驗(yàn)者以下臂自然平舉正前方為圓心，畫(huà)最大圓以獲得感性最大舒適區(qū)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。經(jīng)分析可發(fā)現(xiàn)整體趨勢(shì)與理論計(jì)算相仿，舒適區(qū)域偏向于坐標(biāo)系左下方。這為后續(xù)樣本實(shí)驗(yàn)提供了有利的參考。

圖3　舒適范圍建模

圖4　舒適空間散點(diǎn)圖

3　測(cè)定舒適范圍

為保證上述理論在模型建立與算法設(shè)計(jì)過(guò)程中具有指導(dǎo)意義，設(shè)計(jì)了A、B兩組實(shí)驗(yàn)，分別定量測(cè)試了徑向平面 ρoz內(nèi)和 ρ=C(常數(shù))的圓柱曲面內(nèi)的手臂舒適范圍。系統(tǒng)抽樣了習(xí)慣使用右手的30名同學(xué)作為被測(cè)者，穿戴姿態(tài)監(jiān)測(cè)模塊根據(jù)自身習(xí)慣與控制舒適程度做出一系列規(guī)定的控制指令，將所有動(dòng)作采集后匯總分析。

3.1實(shí)驗(yàn)A(徑向測(cè)試實(shí)驗(yàn))

測(cè)量了操作者的手腕在ρoz平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)舒適區(qū)域的分布情況。實(shí)驗(yàn)設(shè)定了9個(gè)典型機(jī)械手位置，請(qǐng)被測(cè)者按照操作意愿為其制定最舒適的控制動(dòng)作，通過(guò)測(cè)量與姿態(tài)解算后，得到如圖5所示的控制姿態(tài)示意圖。

圖5　徑向控制姿態(tài)示意圖

實(shí)驗(yàn)得出以下三點(diǎn)結(jié)論：

(1)除特殊動(dòng)作(需要控制機(jī)械臂舉高、伸直等)外，手腕位置近似維持在以肩部為頂點(diǎn)，錐角為60°的圓錐錐面內(nèi)，距離肩部距離最遠(yuǎn)的位置約為伸直狀態(tài)下的9/10，最近位置約為伸直狀態(tài)下的1/3，如圖6所示。

(2)當(dāng)手腕處在舒適活動(dòng)范圍內(nèi)（錐面內(nèi)）時(shí)，人手下臂方向與機(jī)械臂的五號(hào)關(guān)節(jié)、三號(hào)關(guān)節(jié)所連線段方向平行，且人手腕到肩部的距離近似與五號(hào)關(guān)節(jié)、三號(hào)關(guān)節(jié)之間距離成正比。此結(jié)論說(shuō)明當(dāng)手臂在舒適范圍內(nèi)時(shí)，人對(duì)機(jī)械臂的控制意愿更傾向于線性映射。

圖6　控制手勢(shì)分析圖

(3)當(dāng)手腕處在不太舒適的位置（錐面外）時(shí)，例如控制機(jī)械手舉高，操作者總是希望自己的手不至于舉得太高（會(huì)過(guò)于疲勞）就可以控制機(jī)械臂舉得比較高，所以設(shè)計(jì)算法時(shí)應(yīng)該在人手不舒適的范圍設(shè)置更高的控制靈敏度，以減輕人手臂負(fù)擔(dān)。此結(jié)論為在ρoz平面內(nèi)建立映射關(guān)系提供了參考。

3.2實(shí)驗(yàn)B(點(diǎn)陣指定實(shí)驗(yàn))

實(shí)驗(yàn)測(cè)量了操作者的手腕在一個(gè)與軸線距離為常數(shù)C的柱面內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)舒適區(qū)域的分布情況。

由于舒適范圍集中在一個(gè)錐角為 60°的錐面內(nèi)，柱面被該錐面切割剩余部分弧度不大，實(shí)驗(yàn)中可近似認(rèn)為平面來(lái)處理。設(shè)計(jì)了同一平面內(nèi)的5×5點(diǎn)陣，平均分布在機(jī)械手前方能夠觸及到的區(qū)域。按照一定順序指出一系列點(diǎn)，請(qǐng)被測(cè)者按照控制意愿將手腕跟蹤到每一個(gè)對(duì)應(yīng)的位置，記錄手臂姿態(tài)。做出每個(gè)動(dòng)作后將手自然下垂短暫休息，減小疲勞度對(duì)測(cè)試的影響。

每位被測(cè)者按照不同點(diǎn)描繪出的軌跡做出動(dòng)作匯總，繪制折線圖。分析位置關(guān)系可知，折線中相鄰兩節(jié)點(diǎn)間距離越小，表明操作者為機(jī)械手制定的操作姿態(tài)在該范圍內(nèi)變化幅度越小，說(shuō)明該區(qū)域就越遠(yuǎn)離舒適范圍。

綜合實(shí)驗(yàn)得出結(jié)論：手臂舒適范圍在柱面內(nèi)近似體現(xiàn)為橢圓形，其長(zhǎng)軸與水平方向所成角度約為45°。其中水平掃描動(dòng)作的位置記錄圖如圖7所示。

圖7　點(diǎn)陣測(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

4　算法設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通過(guò)實(shí)際測(cè)量得出的手臂舒適范圍與理論推導(dǎo)的舒適范圍基本吻合，尤其在分布范圍的形狀以及分布形態(tài)的方向與預(yù)期差別不大時(shí)，這說(shuō)明可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和理論計(jì)算結(jié)果分析推導(dǎo)出適合的舒適算法。

4.1姿態(tài)映射算法設(shè)計(jì)

由于控制方式為體感，不可避免會(huì)隨人的主觀意識(shí)產(chǎn)生誤差，在總體趨勢(shì)正確并在合理誤差范圍內(nèi)可以認(rèn)為測(cè)試數(shù)據(jù)可信。在誤差允許的情況下，可以依據(jù)此方法建立控制模型。歸納整理控制動(dòng)作與目的位置之間的關(guān)系可以得出：當(dāng)手臂在舒適范圍內(nèi)時(shí)，人對(duì)機(jī)械臂的控制意愿更傾向于線性映射；在舒適范圍外時(shí)，人手控制動(dòng)作幅度會(huì)變小。

所以在對(duì)映射算法改進(jìn)時(shí)，可以對(duì)舒適范圍建立模型，將范圍的邊界作為分段條件，將控制動(dòng)作分段處理：如果判定手腕在此范圍內(nèi)，則將手部動(dòng)作線性映射到機(jī)械手的動(dòng)作空間；當(dāng)手腕在此范圍之外時(shí)，使控制靈敏度提高，在發(fā)出控制指令時(shí)乘以一個(gè)大于1的比例系數(shù)K，將小幅度的姿態(tài)映射到較大幅度的控制空間。

設(shè)在θ方向，舒適范圍的中心點(diǎn)與手距離為 mθ，與舒適范圍最遠(yuǎn)點(diǎn)距離為nθ，則在θ方向上，K值大小與超出舒適范圍程度（mθ－nθ）/nθ呈正相關(guān)。

這里近似滿足橢圓中點(diǎn)到橢圓各點(diǎn)的距離關(guān)系，用斜橢圓方程界定了舒適范圍：

x為手腕舒適范圍曲面近似成的平面內(nèi)的水平坐標(biāo)，用弧長(zhǎng)表示，即x=L·θ，y為手腕高度，即y=z0，(x，y)表示手腕的坐標(biāo)，θ是橢圓長(zhǎng)軸與水平方向夾角，取45°。為了保證當(dāng)手勻速移出舒適范圍時(shí)機(jī)械臂動(dòng)作的平滑度，在分段點(diǎn)（mi－ni=0）外側(cè)比例系數(shù)曲線斜率應(yīng)該為零。本方案中K取值滿足：

最后采用運(yùn)動(dòng)學(xué)反解算法，使機(jī)械臂完成相應(yīng)動(dòng)作。

4.2算法的測(cè)試與驗(yàn)證

改進(jìn)映射關(guān)系后，利用新算法對(duì)映射關(guān)系進(jìn)行驗(yàn)證，得到如圖8所示驗(yàn)證結(jié)果。比較兩種算法的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，被測(cè)試者疲勞度減少 51.8%，同時(shí)測(cè)得控制精度達(dá)到2mm，空間定位準(zhǔn)確率為95.4%。

5　結(jié)論

實(shí)驗(yàn)證明改進(jìn)后的映射關(guān)系能夠保證機(jī)械手準(zhǔn)確地按照控制指令完成動(dòng)作，有效改善舒適程度。算法改進(jìn)后，大部分被測(cè)者能夠輕松舒適且準(zhǔn)確地控制機(jī)械臂完成一些復(fù)雜的、有技巧的動(dòng)作，例如抓取小球并放置于瓶蓋上，疲勞程度比傳統(tǒng)體感算法更低。

圖8　理論預(yù)期結(jié)果與實(shí)際測(cè)量結(jié)果分析圖

本文基于現(xiàn)有的人機(jī)工程學(xué)研究成果，考慮肌力和能量利用率與疲勞度之間關(guān)系，結(jié)合人手臂的舒適活動(dòng)范圍，遵循能量利用率盡可能高、肢體動(dòng)作盡可能舒適的原則，通過(guò)仿真與實(shí)驗(yàn)分析考證了各個(gè)因素對(duì)控制結(jié)果的影響，最終建立了一種控制動(dòng)作與目標(biāo)動(dòng)作之間的映射關(guān)系，并提出了機(jī)械臂舒適控制算法，有效提高了體感控制機(jī)械臂的舒適性，讓體感控制更加人性化。

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Design and research for comfort control algorithm based on somatosensory robotic arm

Qian Chenghui，Shi Zhen，Bai Yang，Luan Hui
(College of Instrumentation and Electrical Engineering，Jilin University，Changchun 130026，China)

By analysing the comfort situation of human arm in somatosensory control,based on fatigue theory,we put forward the somatosensory manipulator comfort control algorithms.Modeling for arm comfort zone,controlling robotic arm movement in somatosensory way,through the radial testing laboratories and dot point experiment for the comfort of the control arm movement parameter setting,we fit control the mapping function,and raise comfort control algorithms.By grasping motion tracking and remote objects experiment,the relative error of the measured comfort control algorithms in less than 5%,the absolute error of tip position(the end of mechanical arm)is less than 2mm,improved the comfort of approximately 51.8%compared with conventional control algorithms,ensured the comfort of the user at the same time meeting the accuracy,and improved the efficiency of somatosensory control.

comfortable level；somatosensory；fatigue；robotic-arm；comfort control algorithms

TP29

A

10.16157/j.issn.0258-7998.2015.09.018

國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)計(jì)劃基金項(xiàng)目（2014A65300）

2015-05-23)

千承輝（1975-），女，博士，高級(jí)工程師，主要研究方向：傳感器與智能儀器。

中文引用格式：千承輝，施震，白楊，等.基于體感機(jī)械臂的舒適控制算法設(shè)計(jì)研究[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2015，41(9)：67-69，73.

英文引用格式：Qian Chenghui，Shi Zhen，Bai Yang，et al.Design and research for comfort control algorithm based on somatosensory robotic arm[J].Application of Electronic Technique，2015，41(9)：67-69，73.