人機(jī)協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)控制方法研究現(xiàn)狀與關(guān)鍵技術(shù)分析

岳海波

（鄭州機(jī)電工程研究所，河南 鄭州 450015）

人機(jī)協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)控制方法研究現(xiàn)狀與關(guān)鍵技術(shù)分析

岳海波

（鄭州機(jī)電工程研究所，河南 鄭州 450015）

人機(jī)協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)控制方式是指實(shí)現(xiàn)與人動(dòng)作相協(xié)調(diào)的機(jī)器人動(dòng)作控制方式。在日常生活中，人與人合作搬運(yùn)是比較常見的，但是人的機(jī)械強(qiáng)度有限，無(wú)法完成超過(guò)極限的負(fù)載搬運(yùn)。因此，為了充分發(fā)揮人與機(jī)器人的優(yōu)勢(shì)，提出人機(jī)合作助力方式，延伸到外骨骼系統(tǒng)，它們有一個(gè)共同的特點(diǎn)就是人與機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中一直處于接觸狀態(tài)。人機(jī)協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)控制方法主要包括負(fù)荷分配控制、阻抗控制、直接力控制、智能控制等。

機(jī)器人；人機(jī)協(xié)調(diào)；運(yùn)動(dòng)控制

隨著機(jī)器人技術(shù)的創(chuàng)新與發(fā)展，機(jī)器人的工作模式由單獨(dú)完成簡(jiǎn)單任務(wù)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槿藱C(jī)協(xié)作完成復(fù)雜任務(wù)。在人口老齡化和勞動(dòng)力缺乏的背景下，機(jī)器人扮演的角色越來(lái)越重要，某些特種工作環(huán)境需要機(jī)器人參與完成，而在一些需要保持人類主觀性的工作條件下，人機(jī)協(xié)作系統(tǒng)則能發(fā)揮重要的作用。

在人機(jī)協(xié)作過(guò)程中，需要機(jī)器人能夠自然友好地與人交互，人機(jī)協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)控制的研究具有重要的理論意義及實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。為了提高人機(jī)協(xié)作系統(tǒng)的穩(wěn)定性與安全性、減輕操作者勞動(dòng)強(qiáng)度、增強(qiáng)操作舒適性，研究人員提出了多種人機(jī)協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)控制方法。本文首先分析人機(jī)協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)控制的方法，然后分析人機(jī)協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)控制的關(guān)鍵技術(shù)。

1 人機(jī)協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)控制方法

1.1 負(fù)荷分配控制

人與機(jī)器人協(xié)調(diào)搬運(yùn)任務(wù)，如圖1所示。為了更加直觀，人與機(jī)器人沿水平方向協(xié)調(diào)搬運(yùn)重物的單自由度模型如圖2所示。

圖1 人與機(jī)器人協(xié)調(diào)搬運(yùn)

圖2 人與機(jī)器人沿水平方向協(xié)調(diào)搬運(yùn)

圖3 人機(jī)協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)直接力控制原理圖

如圖2所示，設(shè)物體的重量為m，位移為x，人施加的力為Fh，機(jī)器人施加的力為Fr。在人與機(jī)器人合作任務(wù)中，機(jī)器人不應(yīng)該充當(dāng)主動(dòng)角色，而必須跟隨操作者的運(yùn)動(dòng)，為操作者提供輔助。操作者控制物體的位置，并且承擔(dān)部分負(fù)載，而其他負(fù)載則由機(jī)器人承擔(dān)［1］。此方法的缺點(diǎn)為：當(dāng)負(fù)載比較大的時(shí)候，啟動(dòng)、停止及換向時(shí)，負(fù)載慣性力大，操作者施加的力大，操作者負(fù)擔(dān)重。

1.2 阻抗控制

阻抗控制應(yīng)用于人機(jī)協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)控制中，通過(guò)調(diào)節(jié)阻抗參數(shù)，調(diào)整機(jī)器人末端與人機(jī)之間相互作用力的動(dòng)態(tài)關(guān)系，所對(duì)應(yīng)的物理含義是通過(guò)調(diào)整機(jī)器人的跟隨特性，調(diào)整人操作的舒適度，但是對(duì)人操作的舒適性還沒(méi)有明確的定義。

阻抗控制方法的根本思想是通過(guò)控制機(jī)械系統(tǒng)的位置與外界作用力之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系，從而達(dá)到控制的目的，將機(jī)械系統(tǒng)等效為“質(zhì)量-彈簧-阻尼”模型，建立機(jī)械系統(tǒng)力與位移變量之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系，通過(guò)調(diào)節(jié)慣性、阻尼和剛度系數(shù)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)［2］。

Hogan阻抗控制算法最具代表性，將接觸力信息和位置信息納入統(tǒng)一的控制體系。因此，該控制器的設(shè)計(jì)調(diào)整依據(jù)輸出阻抗，建立力、位置、速度的阻抗關(guān)系式，從而完成既定的任務(wù)。通過(guò)該算法將輸入力信號(hào)引入位置控制中，形成包含交互力和位置信息的閉環(huán)控制。調(diào)整機(jī)器人的阻抗參數(shù)是本算法研究的難點(diǎn)和重點(diǎn)［3］。

阻抗控制依據(jù)實(shí)現(xiàn)方式不同可以分為基于位置的阻抗控制和基于力的阻抗控制?；诹Φ淖杩箍刂菩枰⒕_的動(dòng)力學(xué)模型，而基于位置的阻抗控制方法則是通過(guò)跟蹤期望的位置來(lái)實(shí)現(xiàn)柔順控制。

1.3 直接力控制

在機(jī)器人與環(huán)境交互時(shí)，直接力控制是通過(guò)力反饋環(huán)路直接控制接觸力實(shí)現(xiàn)對(duì)期望接觸力的控制，然而機(jī)器人與人發(fā)生交互時(shí)，是依據(jù)力傳感器獲取人與機(jī)器人之間在操作空間的相互作用力，并且依據(jù)該力信息以及機(jī)器人的靜態(tài)模型設(shè)計(jì)控制轉(zhuǎn)矩，控制機(jī)器人關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)，從而進(jìn)一步使人機(jī)間交互力最小化［4］。人機(jī)協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)直接力控制原理如圖3所示，其中Ga表示機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)模型，Gh表示人機(jī)之間的交互模型，f表示人與機(jī)器人在操作空間的相互作用力，J表示機(jī)器人雅可比矩陣，Ta為驅(qū)動(dòng)器施加的力矩，Thm為操作者施加的力矩，xc代表骨骼服操作空間的位置信息，xh代表操作者的位置信息。直接力控制也依賴于動(dòng)力學(xué)模型的建立。

1.4 智能控制

智能控制是機(jī)器人控制的發(fā)展趨勢(shì)，智能控制分為多個(gè)方向，如模糊邏輯控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、專家系統(tǒng)控制、機(jī)器學(xué)習(xí)控制以及遺傳算法等。J.Moody和C.Darken在1980年提出RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，其是一種3層前向網(wǎng)絡(luò)采用這個(gè)控制策略，能提高系統(tǒng)的精度、魯棒性，適合應(yīng)用于實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)中。Connolly等設(shè)計(jì)的機(jī)器人控制器，將多層前向神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用于力/位混合控制，傳感器檢測(cè)力和位置，經(jīng)過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算之后選擇矩陣和人力約束，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證控制的可行性。楊智勇等人［5］介紹了RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在外骨骼機(jī)器人軌跡規(guī)劃中的應(yīng)用，通過(guò)非線性映射計(jì)算，實(shí)時(shí)估計(jì)骨骼服的運(yùn)動(dòng)軌跡。

從當(dāng)前的研究來(lái)看，智能控制往往應(yīng)用到機(jī)器人的力控制中進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算和分析，智能控制和傳統(tǒng)的控制相結(jié)合，可以解決傳統(tǒng)控制的難題。比如，在人機(jī)協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)中，操作者的運(yùn)動(dòng)意圖不能精準(zhǔn)估計(jì)，采用智能控制可以找到人機(jī)交互力與運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的非線性映射關(guān)系，因此智能控制在人機(jī)協(xié)調(diào)中的應(yīng)用，仍然需要不斷去嘗試和探索。

2 人機(jī)協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)控制的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 人體運(yùn)動(dòng)意圖和環(huán)境信息的感知

機(jī)器人的感知方式主要包括視覺(jué)、力覺(jué)、聽覺(jué)、腦電波、表面肌電信號(hào)等。在某些場(chǎng)合，因?yàn)橐曈X(jué)感知易受環(huán)境光的影響，聽覺(jué)感知易受外界噪音的影響，腦電波和肌電信號(hào)不穩(wěn)定等，因此力覺(jué)感知是最有效、最直接的感知方式。力感知方式具有廣泛的應(yīng)用，如步行輔助裝置、護(hù)理機(jī)器人、建筑機(jī)器人、助力手推車等都是基于力感知的人機(jī)協(xié)作系統(tǒng)。目前，以力感知應(yīng)用最為廣泛，但是人機(jī)協(xié)作系統(tǒng)，人是主動(dòng)的，機(jī)器人是被動(dòng)的，人機(jī)之間的交互力信息存在噪聲，導(dǎo)致人機(jī)系統(tǒng)容易振動(dòng)，不穩(wěn)定。通常采用濾波器讓交互力順滑，濾波器選擇不當(dāng)，會(huì)造成延時(shí)現(xiàn)象，對(duì)機(jī)器人的跟隨響應(yīng)有影響，系統(tǒng)的可操作性變差。

2.2 機(jī)器人柔順動(dòng)作與人自然交互的控制策略

目前，基于力信息的人機(jī)協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)控制，還存在如下問(wèn)題：①在啟動(dòng)、停止及改變移動(dòng)方向時(shí)，因慣性導(dǎo)致動(dòng)作不柔順；②人的作用力過(guò)大，導(dǎo)致突然大的加速度，操作者想在期望的位置停下來(lái)，此時(shí)手臂剛度比較大，人機(jī)協(xié)作系統(tǒng)發(fā)生震蕩，讓操作者感到不舒服，進(jìn)而影響機(jī)器人的可操作性。因此，如何防止過(guò)大加速度或不連貫動(dòng)作，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，讓操作者感覺(jué)到操作舒適、安全，是需要進(jìn)一步研究的內(nèi)容之一。

2.3 機(jī)器人與人共享工作空間時(shí)人身安全的實(shí)現(xiàn)方法

由于人機(jī)協(xié)作系統(tǒng)需要機(jī)器人與人共享工作空間，因此在人機(jī)協(xié)作系統(tǒng)工作時(shí)，在非結(jié)構(gòu)化的環(huán)境中，機(jī)器人如何感知、預(yù)知危險(xiǎn)，如何回避危險(xiǎn)，以及如何在軌跡規(guī)劃中考慮安全因素等內(nèi)容，是系統(tǒng)運(yùn)行中確保人的安全的關(guān)鍵。

3 結(jié)語(yǔ)

目前，人機(jī)協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)控制方法多是基于人機(jī)交互力信息，機(jī)器人需要通過(guò)力信息識(shí)別操作者的運(yùn)動(dòng)意圖，并跟隨操作者運(yùn)動(dòng)。在人機(jī)交互力信息的基礎(chǔ)上，融合視覺(jué)信息、腦電信號(hào)、肌電信號(hào)等多源信息，這是獲取人體運(yùn)動(dòng)意圖的發(fā)展方向。應(yīng)用智能控制方法，應(yīng)用人工智能最新研究成果，可以提高人機(jī)協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)的柔順性?？紤]操作者的運(yùn)動(dòng)特性，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人預(yù)知危險(xiǎn)，是實(shí)現(xiàn)人機(jī)協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，保證人身安全的途徑之一。

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Research Advances and Key Technology Analysis of Man-machine Coordinated Motion Control

Yue Haibo
（Zhengzhou Institute of Mechanical and Electrical Engineering，Zhengzhou Henan 450015）

Man-machine coordinated motion control is a kind of robot motion control mode which is coordinated with human motion.In daily life,It is common of people to cooperate with others,but human mechanical strength is limited,unable to complete load handling beyond their limits,so in order to achieve full advantages of human and robot, the method of man-machine cooperation is proposed,applied to the exoskeleton system,these man-machine cooperation systems have a common characteristic is that people and robots is in contact in the process of movement.The man-machine coordinated motion control method mainly includes load distribution control,impedance control,direct force control,intelligent control,etc.

robot；man-machine coordinated；motion control

TP242

A

1003-5168（2017）07-0042-03

2017-06-02

岳海波（1986-），男，碩士，工程師，研究方向：機(jī)電一體化工程。