基于力信息的人機(jī)協(xié)調(diào)運(yùn)動控制方法

李軍強(qiáng)，齊恒佳，張改萍，趙海文，郭士杰

(河北工業(yè)大學(xué) 河北省機(jī)器人感知與人機(jī)融合重點實驗室，天津 300130)

0 引言

隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人越來越多被設(shè)想為人類的助手，在生產(chǎn)生活中密切配合人們的工作，應(yīng)用人機(jī)協(xié)作的方式，共同完成復(fù)雜任務(wù)。作為人機(jī)協(xié)作、人機(jī)共融技術(shù)的研究內(nèi)容之一，人機(jī)協(xié)調(diào)運(yùn)動控制方法受到研究人員的重視，成為當(dāng)前的研究熱點[1]。

要實現(xiàn)人機(jī)協(xié)調(diào)運(yùn)動，需要在機(jī)器人的控制系統(tǒng)中加入人類行為的特征信息，使其與人共同作業(yè)時更加適應(yīng)人類的行為模式。人機(jī)協(xié)調(diào)運(yùn)動控制方法主要包括負(fù)荷分配控制、阻抗控制[2]、直接力控制[3]等，其中Hogan阻抗控制算法將接觸力信息和位置信息進(jìn)行統(tǒng)一控制，最具代表性。然而阻抗控制主要應(yīng)用于機(jī)器人與固定環(huán)境間接觸力的控制，不能完全適應(yīng)于機(jī)器人與人身體直接接觸的情況，如果在工作中機(jī)器人與人身體直接接觸，則需要機(jī)器人具有更加靈活柔順的操作性能。Ikeura等[4-5]分析了人與人之間合作的特征，并根據(jù)速度的大小給定不同的阻尼參數(shù)，提出可變阻尼控制，但是僅憑借速度信息無法更好地實現(xiàn)人與機(jī)器人之間的柔順控制，減小人機(jī)之間的作用力。本文建立了人機(jī)協(xié)作系統(tǒng)，該系統(tǒng)模擬人機(jī)之間的關(guān)系，應(yīng)用力傳感器感知人機(jī)交互力信息，選用伺服電機(jī)作為機(jī)器人的執(zhí)行元件，利用伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速獲取人體運(yùn)動速度信息，根據(jù)人機(jī)相互作用過程中的力信息和速度信息識別操作者的運(yùn)動意圖，當(dāng)操作者作加速運(yùn)動時，減小控制系統(tǒng)的虛擬阻尼系數(shù)，當(dāng)操作者作減速運(yùn)動時，增大控制系統(tǒng)的虛擬阻尼系數(shù)，從而縮短機(jī)器人的響應(yīng)時間，提高機(jī)器人的響應(yīng)速度，改善系統(tǒng)穩(wěn)定性及人機(jī)交互的柔順性。

1 人機(jī)協(xié)調(diào)運(yùn)動模型

人機(jī)協(xié)作時，機(jī)器人承擔(dān)負(fù)載，操作者通過力傳感器與機(jī)器人相互作用，機(jī)器人根據(jù)操作者的運(yùn)動意圖帶動負(fù)載運(yùn)動。人機(jī)協(xié)調(diào)運(yùn)動模型如圖1所示。

人與機(jī)器人協(xié)作搬運(yùn)質(zhì)量為M的負(fù)載，系統(tǒng)的動力學(xué)模型為：

(1)

式中：M為負(fù)載質(zhì)量；m，c，k分別為人機(jī)協(xié)調(diào)運(yùn)動控制系統(tǒng)的虛擬慣量、虛擬阻尼和虛擬剛度系數(shù)；Fh為操作者作用于機(jī)器人上的人機(jī)交互力；Fr為機(jī)器人作用于負(fù)載上的力。

由人、機(jī)器人和物體的關(guān)系可知，負(fù)載重量由機(jī)器人承擔(dān)，而人機(jī)協(xié)調(diào)運(yùn)動效果取決于參數(shù)m，c，k。本文在導(dǎo)納控制的基礎(chǔ)上提出可變阻尼導(dǎo)納控制方法，主要應(yīng)用人機(jī)交互力與運(yùn)動速度的關(guān)系來判斷人的意圖，進(jìn)而改變虛擬阻尼系數(shù)的大小，達(dá)到縮短機(jī)器人響應(yīng)時間、提高系統(tǒng)穩(wěn)定性的目的。

2 可變阻尼導(dǎo)納控制方法

2.1 導(dǎo)納控制方法

在人機(jī)協(xié)調(diào)運(yùn)動中，輸入力與速度不是簡單的線性關(guān)系，而由于力傳感器獲取的力信息包含噪聲，需要對于力信息進(jìn)行濾波處理，以保證人機(jī)協(xié)調(diào)運(yùn)動的平穩(wěn)性[6]。獲得人機(jī)交互力信息后，通過導(dǎo)納控制算法得到執(zhí)行元件期望的運(yùn)動速度。基于導(dǎo)納控制的人機(jī)協(xié)調(diào)運(yùn)動控制模型如圖2所示。

導(dǎo)納理論源于機(jī)械阻抗，是一種基于廣義慣量、阻尼和剛度的等效網(wǎng)絡(luò)思想，通過將實際的物理系統(tǒng)比擬成一個具有導(dǎo)納(或阻抗)特性的簡單輸入輸出系統(tǒng)，構(gòu)建作用力與期望速度之間的聯(lián)系。導(dǎo)納是阻抗的倒數(shù)，定義為

(2)

式中：M，C，K分別為廣義慣量、廣義阻尼和廣義剛度。

2.2 可變阻尼導(dǎo)納控制方法

人機(jī)協(xié)調(diào)運(yùn)動的過程是模擬人操作某一負(fù)載的過程，而人體作用力作用于負(fù)載使負(fù)載運(yùn)動時，剛度系數(shù)多為0，因此設(shè)定控制系統(tǒng)的虛擬剛度系數(shù)k=0。人機(jī)協(xié)作中通常只考慮人機(jī)交互力的大小和方向，不考慮作用力的變化[7]。本文提出利用人機(jī)交互力的變化與操作者的運(yùn)動狀態(tài)推測操作者運(yùn)動意圖的方法，根據(jù)力的變化調(diào)整控制系統(tǒng)的虛擬阻尼參數(shù)，以提升系統(tǒng)的響應(yīng)速度?？勺冏枘釁?shù)調(diào)整遵循如下規(guī)則：

(1)當(dāng)dF<β時，操作者正常施加作用力，則包含力的變化信息的可變阻抗控制規(guī)則為：

1)速度從0開始，或者突然增大沿速度方向的力，并且力的變化滿足一定范圍，可以推斷操作者要加速，此時的高阻尼將會限制機(jī)器人的跟隨速度。因此，應(yīng)該減小控制系統(tǒng)的阻尼參數(shù)c，即|dF|↑?c↓，則人機(jī)交互力與運(yùn)動速度、加速度的關(guān)系為

(3)

2)原速度方向上的力突然減小，表現(xiàn)為減速，可以推斷操作者想停下來或者改變方向。此時應(yīng)增大控制系統(tǒng)的阻尼參數(shù)值，減小系統(tǒng)響應(yīng)時間，即|dF|↓?c↑，則人機(jī)交互力與運(yùn)動速度、加速度的關(guān)系為

(4)

為了滿足人機(jī)協(xié)調(diào)運(yùn)動，使操作者感到舒適、安全、穩(wěn)定，力的增量應(yīng)該在一定范圍內(nèi)，即|dF|<β，如果dF>0時的加速度大于0，則表明操作者想加速，否則為想減速。

(2)當(dāng)|dF|≥β時，表示人機(jī)協(xié)作異常，即人機(jī)操作力產(chǎn)生了一個突變，應(yīng)該濾除該時刻的力信息，機(jī)器人維持上一時刻的作用力，不發(fā)生變化。

3 控制系統(tǒng)參數(shù)的確定

3.1 人機(jī)協(xié)調(diào)實驗系統(tǒng)的建立

為了有效驗證所提方法的有效性，防止驗證設(shè)備過于復(fù)雜以及多自由度運(yùn)動控制耦合對實驗產(chǎn)生的影響，本實驗采用單自由度平移機(jī)器人系統(tǒng)與人進(jìn)行協(xié)作，人機(jī)協(xié)調(diào)運(yùn)動實驗系統(tǒng)的硬件主要由工業(yè)PC機(jī)、力信息采集模塊、伺服控制系統(tǒng)、運(yùn)動執(zhí)行模塊組成，其中力信息采集模塊包括六維力傳感器和匹配的數(shù)據(jù)采集卡，人機(jī)之間的作用力通過六維力傳感器獲取，如圖3所示。

3.2 導(dǎo)納控制參數(shù)的確定

實驗系統(tǒng)中，力傳感器安裝于線性模組滑塊上，傳感器上安裝有手柄，人手作用于手柄上；人手移動滑塊的距離在400 mm以內(nèi)，有上下限位開關(guān)用于防止發(fā)生碰撞；啟動、移動、停止由實驗者決定；實驗前，找30名學(xué)生志愿者，包括男性和女性，年齡介于20～30歲，身心健康，先前沒有接觸過實驗裝置，讓志愿者在兩個極限位置之間運(yùn)動并對操作感覺做出主觀判斷。設(shè)慣性質(zhì)量參數(shù)m=0.5 kg，分別設(shè)定不同的阻尼參數(shù)10，15，20，25，30(N·s/m)，讓志愿者在不同阻尼參數(shù)下重復(fù)動作，記錄不同阻尼參數(shù)下對人機(jī)協(xié)調(diào)運(yùn)動效果的主觀判斷。各志愿者感覺人機(jī)協(xié)調(diào)運(yùn)動效果較好的阻尼值如圖4所示。

記錄運(yùn)動過程中的力信息與速度信息的變化范圍，以及志愿者在不同阻尼參數(shù)下對穩(wěn)定性、舒適性的主觀判斷，以在人機(jī)協(xié)調(diào)運(yùn)動中考慮志愿者的舒適性。志愿者對不同阻尼下操作性能的打分情況如圖4所示。

基于力信息的人機(jī)協(xié)調(diào)運(yùn)動中，輸入力信息存在噪聲，在利用力信息進(jìn)行控制時，需要對其進(jìn)行濾波[7]。實驗采用Butterworth低通濾波器，設(shè)置采樣頻率為1 000 Hz，截止頻率為30 Hz，階數(shù)為1。未經(jīng)濾波和經(jīng)過濾波處理的力信息隨時間的變化如圖5所示。

為研究不同阻尼系數(shù)對人機(jī)交互力和運(yùn)動速度的影響，選取1名志愿者記錄其運(yùn)動過程中的力信息與速度信息的變化范圍，志愿者在不同阻尼系數(shù)下的力和速度隨時間變化的曲線如圖5所示。圖6所示為不同阻尼下力和速度隨時間變化的曲線，其中Fh和Vh分別表示志愿者的作用力和速度。由圖6可知，人機(jī)之間的相互作用力Fh增大時，志愿者感覺費力；Fh突然增大時，隨著控制系統(tǒng)阻尼值的增大，其變化曲線趨于平滑，系統(tǒng)穩(wěn)定性得到提升；但是隨著控制系統(tǒng)阻尼值的增大，同樣速度下增大Fh將對人機(jī)協(xié)調(diào)運(yùn)動效果產(chǎn)生不利影響。綜合考慮志愿者的評價得出如下結(jié)論：

(1)在力沒有突變的情況下，志愿者感覺到最優(yōu)操作性能對應(yīng)的導(dǎo)納控制阻尼參數(shù)介于某一范圍，當(dāng)控制系統(tǒng)阻尼值介于15 N·s/m～20 N·s/m時，人機(jī)協(xié)調(diào)運(yùn)動效果較好。

(2)由志愿者在不同阻尼下的速度范圍與人機(jī)交互力信息的變化范圍可知，速度變化介于-1 m/s～1 m/s、Fh在10 N～15 N時，志愿者感覺人機(jī)協(xié)調(diào)運(yùn)動效果較好。

3.3 可變阻尼中權(quán)重因數(shù)的確定

在人機(jī)協(xié)調(diào)運(yùn)動中，開始操作時人的力和意圖不確定，當(dāng)操作力突然增大時，在不可變阻尼的控制下，系統(tǒng)會有突然增大的加速度，志愿者會本能地提高自身手臂的剛性[8]，讓機(jī)器人在某個位置停下，機(jī)器人則會在期望的位置附近振動幾次后停下來。由力、速度、位置隨時間的變化可知，應(yīng)用不可變阻尼控制方法，當(dāng)人機(jī)相互作用力突然增大時，人機(jī)協(xié)作系統(tǒng)容易不穩(wěn)定，系統(tǒng)存在震蕩，超調(diào)量達(dá)到33%。如圖7所示。

在|α|=0.01,0.02,0.03時進(jìn)行實驗，獲得人機(jī)相互作用力F，以及dF、控制系統(tǒng)阻尼c、志愿者速度V和位置P隨時間的變化曲線，如圖8所示。由圖8可知，當(dāng)|α|=0.01,0.02,0.03，人機(jī)相互作用力沒有突變時，阻尼連續(xù)變化，機(jī)器人位置曲線順滑。當(dāng)|α|=0.01時，操作力突然增大，即|dF|>2N，控制系統(tǒng)阻尼增大到20 N·s/m，但是仍不足以維持系統(tǒng)穩(wěn)定，人機(jī)協(xié)作系統(tǒng)發(fā)生震蕩，振動幾次停下來。當(dāng)|α|=0.02時，阻尼的變化范圍在15 N·s/m以上，滿足系統(tǒng)穩(wěn)定性要求，實驗者舒適性好;當(dāng)操作力突然增大，即|dF|>2 N時，阻尼增大到21 N·s/m以上，可以維持人機(jī)協(xié)作系統(tǒng)的穩(wěn)定。當(dāng)|α|=0.03時，志愿者施加的力增大且變化率比較大，阻尼低于15 N·s/m，系統(tǒng)容易不穩(wěn)定，有振動現(xiàn)象；當(dāng)操作力突然增大，阻尼增大到25 N·s/m左右時系統(tǒng)穩(wěn)定，但是志愿者感覺到較大的人機(jī)相互作用力。

實驗驗證了可變阻尼控制的可行性，dF可以用來識別實驗者的意圖，實現(xiàn)控制系統(tǒng)阻尼的連續(xù)變化，從而實現(xiàn)柔順動作并減小振動。綜合比較|α|=0.01,0.02,0.03時的操作性能，確定|α|=0.02時的系統(tǒng)阻尼變化范圍滿足系統(tǒng)穩(wěn)定、操作舒適度高的要求。

4 結(jié)束語

本文對人機(jī)協(xié)作機(jī)器人的控制方法進(jìn)行了研究。針對基于力信息的人機(jī)交互特點獲取人體運(yùn)動意向信息，提出可變阻尼的導(dǎo)納控制方法，確定了人機(jī)交互力信息與控制系統(tǒng)阻尼變化量之間的關(guān)系，即當(dāng)阻尼介于15 N·s/m ～20 N·s/m、權(quán)重因數(shù)|α|=0.02時，人機(jī)協(xié)調(diào)運(yùn)動效果較好。因為變阻尼導(dǎo)納控制可以改善人機(jī)協(xié)作系統(tǒng)的性能，減小振動，所以能夠提高系統(tǒng)穩(wěn)定性及人機(jī)交互的舒適性。

人機(jī)協(xié)調(diào)運(yùn)動技術(shù)是機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域較新的研究方向，今后研究將結(jié)合智能控制、機(jī)器學(xué)習(xí)和人體生物力學(xué)等多學(xué)科知識，獲得更優(yōu)的人機(jī)協(xié)調(diào)運(yùn)動效果。