協(xié)作機(jī)器人觸覺傳感裝置的設(shè)計(jì)與碰撞實(shí)驗(yàn)

張秀麗,韓春燕

(北京交通大學(xué) 機(jī)械與電子控制工程學(xué)院，北京 100044)

人工智能的發(fā)展及生產(chǎn)制造業(yè)向靈活性和柔性制造模式的轉(zhuǎn)變，輕質(zhì)、方便移動(dòng) 、高靈活性的協(xié)作機(jī)器人逐漸代替了傳統(tǒng)的工業(yè)機(jī)器人[1].相比于其他機(jī)器人，協(xié)作機(jī)器人已在工業(yè)制造領(lǐng)域中初露鋒芒，但該類機(jī)器人仍處于起步階段，面臨著諸如未知復(fù)雜的環(huán)境,復(fù)雜多變的任務(wù)、行為安全和交互等諸多方面的挑戰(zhàn)和技術(shù)瓶頸[2].而其中交互安全性尤為重要，是協(xié)作機(jī)器人需要考慮的首要因素，已成為協(xié)作機(jī)器人領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[3].

在人機(jī)交互過程中，機(jī)器人和操作員通常處在同一工作空間[4]，兩者不可避免會(huì)發(fā)生接觸，造成不必要的傷害，解決這個(gè)問題的首要做法是發(fā)生碰撞后，機(jī)器人可以檢測(cè)到碰撞，并采取相應(yīng)的安全控制.目前大多研究采用無傳感器方法或安裝傳感器的方法來檢測(cè)碰撞[5].文獻(xiàn)[6]主要是通過采集各關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器的電流，以此計(jì)算出各關(guān)節(jié)力矩，并用動(dòng)力學(xué)模型計(jì)算出各關(guān)節(jié)實(shí)際運(yùn)動(dòng)的關(guān)節(jié)力矩，將兩力矩進(jìn)行比較，從而可以確定是否發(fā)生碰撞.由于機(jī)器人系統(tǒng)通常不能得到精確的動(dòng)力學(xué)模型，所以該方法并不能精確的檢測(cè)碰撞.文獻(xiàn)[7]提出了一種通過直接檢測(cè)驅(qū)動(dòng)器電流是否發(fā)生突變來判斷是否發(fā)生碰撞的方法，該方法將檢測(cè)到的電流值與相鄰時(shí)刻關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器的電流值相比較，若大于設(shè)定的電流閾值，則說明發(fā)生了碰撞，但當(dāng)機(jī)器人加速或是向反方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，該方法容易發(fā)生誤檢測(cè).文獻(xiàn)[8-9]通過檢測(cè)系統(tǒng)能量的方法來判斷機(jī)器人是否發(fā)生碰撞，該方法的缺點(diǎn)是當(dāng)機(jī)器人處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，若發(fā)生碰撞，則該檢測(cè)方法無法檢測(cè)出機(jī)器人的碰撞.對(duì)于添加外部傳感器的方法主要有安裝力傳感器，視覺傳感器，以及觸覺傳感器等.德國庫卡公司七自由度協(xié)作機(jī)器人LBR IIWA[10]，各關(guān)節(jié)配備力矩傳感器，可檢測(cè)碰撞并進(jìn)行避讓.文獻(xiàn)[11]中通過在機(jī)器人上安裝視覺傳感器的方法來檢測(cè)機(jī)器人的碰撞.近些年來，觸覺傳感器的應(yīng)用成為了人機(jī)交互中的熱點(diǎn).德國機(jī)器人研究所研制了一款23×10個(gè)電極矩陣組成的柔性傳感器[12]，應(yīng)用在機(jī)械臂上，用于獲取碰撞信息.美國明尼蘇達(dá)大學(xué)設(shè)計(jì)了一種可拉伸的柔性智能皮膚傳感器[13]，作為觸覺系統(tǒng)應(yīng)用在機(jī)器人上進(jìn)行外界信息檢測(cè).

在機(jī)器人安全碰撞檢測(cè)中，最為成熟的是采用力覺傳感器檢測(cè)碰撞力的方法，但該方法依賴于精確的動(dòng)力學(xué)模型，且不能準(zhǔn)確獲得力矩發(fā)生的具體位置，因而無法確保機(jī)器人的安全控制.觸覺傳感器技術(shù)是當(dāng)今的熱點(diǎn)研究話題，由于大多數(shù)觸覺傳感器結(jié)構(gòu)及電路布線復(fù)雜，安全可靠性較低，因而在協(xié)作機(jī)器人安全控制方面的應(yīng)用并不廣泛.

本文作者設(shè)計(jì)了一款觸覺傳感裝置，分析了觸覺裝置各觸覺單元的運(yùn)動(dòng)學(xué)及碰撞力方向，并將其應(yīng)用在機(jī)械臂上，搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證設(shè)計(jì)的觸覺傳感裝置的有效性和理論分析的正確性，對(duì)提高協(xié)作機(jī)器人的交互安全性，擴(kuò)展協(xié)作機(jī)器人應(yīng)用范圍具有一定的推動(dòng)作用.

1 可穿戴式觸覺傳感裝置

1.1 觸覺傳感裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的可穿戴式觸覺傳感裝置分層結(jié)構(gòu)見圖 1，該傳感器裝置由上覆蓋層、16個(gè)觸覺傳感單元、襯墊層、下覆蓋層4部分組成.上、下覆層材質(zhì)為黑色織物，用于保護(hù)觸覺單元和傳感單元的連接線； 16個(gè)觸覺傳感單元選用薄膜壓力傳感器FSR，F(xiàn)SR由兩層涂有導(dǎo)電金屬的聚酯薄膜組成，其厚度為0.208 mm，感應(yīng)區(qū)域直徑為14.7 mm.根據(jù)觸覺單元間隙最小原則，觸覺裝置采用見圖2的陣列方式；襯墊層所用材料為厚度1.4 mm的帆布織物，用于放置FSR傳感器陣列，為防止FSR受力時(shí)滑動(dòng)，造成測(cè)量誤差，在襯墊層上留有7.6 mm寬度開口，用于固定FSR傳感器尾部，并將FSR傳感器粘連在襯墊層上，見圖3.同時(shí)在一側(cè)引出FSR傳感器的信號(hào)采集線，最后將4層材質(zhì)縫合起來.

圖1 觸覺傳感裝置分層結(jié)構(gòu)Fig.1 Layered structure of tactile sensing device

圖2 觸覺傳感單元陣列Fig.2 Tactile sensor array

圖3 傳感器陣列布局Fig.3 Layout of sensor array

可穿戴式的觸覺傳感裝置實(shí)物如圖4所示，其尺寸為290 mm×100 mm，可將其穿戴在假肢或機(jī)械臂的任意位置進(jìn)行接觸力檢測(cè).

圖4 可穿戴式觸覺傳感裝置Fig.4 Wearable tactile sensing device

1.2 觸覺信息采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

觸覺傳感器的信息采集系統(tǒng)由FSR觸覺傳感裝置、信號(hào)處理模塊、數(shù)據(jù)采集儀和計(jì)算機(jī)終端軟件等部分組成.

FSR的輸出信號(hào)為電阻信號(hào)，經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路，完成電阻向電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化、模數(shù)轉(zhuǎn)化、放大和濾波，并通過串口將信號(hào)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)進(jìn)行處理及保存，從而得到力信息.觸覺信息采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖5.

圖5 信息采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.5 Structure of information collection system

傳感器的信息采集系統(tǒng)軟硬件采用安微電子科技有限公司開發(fā)的壓力傳感器系統(tǒng)，主要由網(wǎng)絡(luò)采集儀、USB接線、排線，壓力采集輸出軟件4部分組成.

1.3 觸覺傳感裝置的標(biāo)定與數(shù)據(jù)處理

由于信息采集系統(tǒng)存在系統(tǒng)誤差及各種外界干擾因素，其輸出的力信號(hào)與實(shí)際輸入值之間存在誤差，為消除偏差，進(jìn)行了觸覺單元的標(biāo)定與校準(zhǔn)，通過Matlab及統(tǒng)計(jì)學(xué)最小二乘法思想得到觸覺單元數(shù)學(xué)模型，保證了觸覺傳感裝置輸出信息的準(zhǔn)確性.

采用砝碼對(duì)觸覺傳感裝置中的每個(gè)觸覺單元進(jìn)行靜態(tài)標(biāo)定，得到相應(yīng)的1次、3次、5次擬合曲線，如圖6所示，考慮到系統(tǒng)運(yùn)算速度，結(jié)合最小二乘法的思想對(duì)擬合曲線進(jìn)行擬合優(yōu)度判斷，最終選擇1次擬合曲線作為觸覺單元的數(shù)學(xué)模型，各觸覺單元的數(shù)學(xué)模型表達(dá)式為

y=ax+b

(1)

式中：a、b為表達(dá)式系數(shù).

圖6 觸覺單元擬合曲線Fig.6 Fitting curves of tactile unit

2 觸覺傳感裝置理論分析

2.1 觸覺單元運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

觸覺傳感裝置安裝在實(shí)驗(yàn)室三自由度機(jī)械臂上，建立如圖 7所示的觸覺單元及機(jī)械臂連桿坐標(biāo)系，選機(jī)械臂第1關(guān)節(jié)坐標(biāo)系(X0,Y0,Z0)為機(jī)械臂基準(zhǔn)坐標(biāo)系，根據(jù)D-H法得到各坐標(biāo)系下的D-H參數(shù)，如表 1所示.

圖7 機(jī)械臂坐標(biāo)系Fig.7 Coordinate system of mechanical arm

變換矩陣連桿長度ak/mm連桿扭角αk/(°)關(guān)節(jié)偏置dk/mm關(guān)節(jié)角度θk/(°)0A10π/2L0θ11A2L1-π/20θ22AiL20D3θ3

表1中L0為機(jī)械臂肩長，值為27 mm，L1為機(jī)械臂大臂長度，值為314 mm ，L2為觸覺傳感裝置距機(jī)械臂肘關(guān)節(jié)的長度，D3為觸覺裝置半徑，取D3=40 mm，L2=175 mm.θ1，θ2，θ3分別為機(jī)械臂關(guān)節(jié)1、2、3的關(guān)節(jié)夾角，2Ai中下標(biāo)i為常量，表示機(jī)械臂末端坐標(biāo)系.由D-H法得到各相鄰坐標(biāo)系的變換矩陣分別為

(4)

將變換矩陣(2)(3)(4)順序相乘，得到觸覺單元在機(jī)械臂基準(zhǔn)坐標(biāo)系中總變換矩陣

(5)

式中ck=cosθk,sk=sinθk,k=1,2,3.

觸覺單元在機(jī)械臂的期望位姿矩陣為

(6)

式中:0Ri=[nx,ox,ax;ny,oy,ay;nz,oz,az]為觸覺單元在的姿態(tài)矩陣;Pi=[px;py;pz]為觸覺單元在機(jī)械臂的位置矩陣.

令機(jī)械臂基準(zhǔn)坐標(biāo)系中總變換矩陣與機(jī)械臂期望位姿矩陣相等

Td=0Ti

(7)

根據(jù)式(7)得

(8)

變換矩陣的逆矩陣依次乘以機(jī)械臂總變換矩陣，求解得到觸覺單元的運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解

(9)

觸覺單元之間進(jìn)行相應(yīng)的坐標(biāo)變換，即可求解得到所有觸覺單元在機(jī)械臂基坐標(biāo)系下的運(yùn)動(dòng)學(xué)正解及逆解.

2.2 觸覺單元正壓力方向分析

機(jī)械臂在基坐標(biāo)系中的具體方向未知，為便于實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)控制，取各觸覺單元法線方向?yàn)槠湓谟|覺傳感裝置中的正壓力方向，通過坐標(biāo)變換，求解得到各觸覺單元在機(jī)械臂基坐標(biāo)系中的正壓力方向信息.

觸覺傳感裝置中16個(gè)觸覺單元都有其各自的參考坐標(biāo)系，選觸覺單元9為其余各觸覺單元的基準(zhǔn)坐標(biāo)系，各觸覺單元j的坐標(biāo)系為(xj,yj,zj) ，其中j=1,2,…,16，坐標(biāo)系如圖8所示.基準(zhǔn)坐標(biāo)系進(jìn)行相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)和平移變換即可與各觸覺單元參考坐標(biāo)系重合，坐標(biāo)系變換參數(shù)值如表2所示.其中γ為基準(zhǔn)坐標(biāo)系繞自身x軸旋轉(zhuǎn)的角度，dx，dy，dz分別為基準(zhǔn)坐標(biāo)系沿x，y，z軸向各觸覺單元參考坐標(biāo)系移動(dòng)的距離.

基準(zhǔn)坐標(biāo)系到參考坐標(biāo)系的變換矩陣為

Mj=Rot(x,y)·

Trans(dx,0,0)·Trans(0,dy,0)

(10)

根據(jù)基準(zhǔn)觸覺單元相對(duì)于基準(zhǔn)坐標(biāo)系的變換矩陣，求解得到各受力觸覺單元在基坐標(biāo)系下的總變換矩陣為

(11)

式中：0RF表示力作用下觸覺單元坐標(biāo)系到基準(zhǔn)坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣；PF表示力作用點(diǎn)到機(jī)械臂基坐標(biāo)系的位置矩陣，具體可表示為

圖8 觸覺單元坐標(biāo)系Fig.8 Coordinate system of tactile units

表2 變換參數(shù)值

(12)

(13)

式中：cy=cosγ；sy=sinγ.

觸覺單元j的接觸力在自身參考坐標(biāo)系的方向?yàn)?/p>

(14)

則觸覺單元在機(jī)械臂基坐標(biāo)系下的接觸力為

0F=0RF·Fj=

(15)

2.3 基于觸覺單元的碰撞力位置方向分析

觸覺裝置檢測(cè)到碰撞，碰撞力位置方向取各受力觸覺單元在機(jī)械臂坐標(biāo)系各軸位姿分量的均值，以觸覺單元位姿和正壓力方向分析為基礎(chǔ)，求解碰撞力在機(jī)械臂基準(zhǔn)坐標(biāo)系中的位置和方向信息.

碰撞力在基準(zhǔn)坐標(biāo)系的位置信息為

(16)

碰撞力在基準(zhǔn)坐標(biāo)系的力方向?yàn)?/p>

(17)

式中：h表示受力觸覺單元個(gè)數(shù)，h=1，2，…，16.

3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

為驗(yàn)證觸覺傳感裝置的有效性及觸覺單元接觸力方向識(shí)別方法的正確性，搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，設(shè)計(jì)碰撞檢測(cè)實(shí)驗(yàn).實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要由機(jī)械臂樣機(jī)、控制系統(tǒng)硬件、控制系統(tǒng)軟件3部分組成.

3.1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

控制系統(tǒng)采用主從式結(jié)構(gòu)：即上下位機(jī)結(jié)構(gòu).上位機(jī)需要良好的操作性及穩(wěn)定性，因而選用研華工控機(jī)作為上位機(jī)，下位機(jī)是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心部分，主要完成機(jī)械臂舵機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制，編碼器信息采集、觸覺信息的接收與處理、數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示及控制算法的實(shí)現(xiàn)，要求其具有較多的硬件接口及良好的實(shí)時(shí)性.采用意法半導(dǎo)體公司的STM32 VET6作為核心控制部件.機(jī)械臂與控制系統(tǒng)硬件如圖9所示.

圖9 控制系統(tǒng)硬件Fig.9 Hardware of control system

圖10 上位機(jī)通信界面Fig.10 Communication interface of upper computer

控制系統(tǒng)的軟件主要由用于將觸覺傳感器采集的碰撞力反饋給STM32的上位機(jī)軟件和用于實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)控制和碰撞力檢測(cè)算法的下位機(jī)運(yùn)動(dòng)控制程序兩部分組成.如圖10為上位機(jī)通信軟件界面，使用C語言編寫，用于完成碰撞力的信息處理及發(fā)送.碰撞力信息的數(shù)據(jù)處理過程為：壓力采集系統(tǒng)采集觸覺單元力信息，實(shí)時(shí)存放于TXT文本文件中，其文件的第2列至第17列對(duì)應(yīng)為觸覺單元1至16的力值，上位機(jī)通信軟件讀取實(shí)時(shí)TXT，將受力觸覺單元列提取存放于16個(gè)數(shù)組中并進(jìn)行受力觸覺單元列求和計(jì)算，即可得碰撞力大小，并在數(shù)據(jù)顯示界面實(shí)時(shí)顯示.

3.2 數(shù)據(jù)通信

STM32的通訊信號(hào)為TTL電平，舵機(jī)的通信形式為RS485，兩者之間選用TTL轉(zhuǎn)RS485模塊進(jìn)行通信；編碼器的引線與STM32的I/O端口相連，實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)信息采集；觸覺采集系統(tǒng)與工控機(jī)采用USB通信，通過上位機(jī)軟件將采集的接觸力發(fā)送給下位機(jī)STM32.STM32接收工控機(jī)發(fā)送的指令，控制機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)，并進(jìn)行機(jī)械臂關(guān)節(jié)角度的實(shí)時(shí)采集與顯示，同時(shí)，觸覺傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)碰撞力，若發(fā)生碰撞，觸覺傳感裝置將檢測(cè)到的力信息經(jīng)數(shù)據(jù)處理后通過串口發(fā)給STM32，并控制機(jī)械臂進(jìn)行碰撞避讓運(yùn)動(dòng).

3.3 碰撞檢測(cè)及避讓實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證觸覺傳感裝置中觸覺單元接觸力方向識(shí)別方法的正確性，分別對(duì)16個(gè)觸覺單元施加力，觸覺傳感裝置檢測(cè)到碰撞后，則控制機(jī)械臂沿著觸覺單元受力方向做直線避讓運(yùn)動(dòng).沿接觸力方向的直線方程為

(18)

直線方程中，調(diào)整時(shí)間參數(shù)t即可得到不同的位移點(diǎn)，為保證機(jī)械臂沿著碰撞力減小的方向，必須保證t>0.將式(18)代入觸覺單元逆運(yùn)動(dòng)學(xué)式(9)中可求解得到對(duì)應(yīng)的關(guān)節(jié)角，即可控制機(jī)械臂沿接觸力方向做反向避讓運(yùn)動(dòng).

將所規(guī)劃的避讓路徑寫入控制程序中，并給定機(jī)械臂的初始位置為 (300，250，27)，分別對(duì)各觸覺單元施加壓力，觸覺傳感裝置檢測(cè)到碰撞力后發(fā)送給STM32，下位機(jī)接收碰撞力并控制機(jī)械臂沿觸覺單元受力方向運(yùn)動(dòng)，根據(jù)各關(guān)節(jié)舵機(jī)反饋的位置信息，繪制各觸覺單元沿碰撞力方向運(yùn)動(dòng)的曲線，見圖11.計(jì)算各觸覺單元的實(shí)際運(yùn)動(dòng)方向曲線得到反正切，即計(jì)算各觸覺單元運(yùn)動(dòng)曲線縱坐標(biāo)與橫坐標(biāo)比之的反正切即可得到觸覺單元實(shí)際運(yùn)動(dòng)方向與機(jī)械臂X軸夾角.

圖11 觸覺單元受力方向Fig.11 Force direction of tactile elements

機(jī)械臂安裝的假肢周長約為220 mm，因而可在機(jī)械臂周向表面布置12個(gè)觸覺單元，則觸覺傳感裝置相鄰觸覺單元之間的夾角為30°.

如表3為各觸覺單元與機(jī)械臂基坐標(biāo)系X軸的理論與實(shí)際夾角，觸覺單元最大夾角誤差為0.07、0.08及0.16，其余觸覺單元夾角誤差均小于0.03.

表3 觸覺單元角度值

引起誤差的主要原因有：1)由于機(jī)械臂彈性關(guān)節(jié)的存在，舵機(jī)啟動(dòng)引起機(jī)械臂的振動(dòng)，使得運(yùn)動(dòng)方向有偏差；2) 觸覺傳感裝置安裝的機(jī)械臂曲面為橢圓，為計(jì)算方便，近似為圓，故表3中各單元與X軸的夾角為近似值.在計(jì)算過程中依照橢圓分析，即可減小誤差.雖然有一定誤差，但觸覺單元力的分析方法正確，其影響可忽略，可將其應(yīng)用在機(jī)械臂中進(jìn)行碰撞檢測(cè)，發(fā)生碰撞后，控制機(jī)械臂沿碰撞力避讓，提高機(jī)械臂的安全性.

4 結(jié)論

1)設(shè)計(jì)了一個(gè)可穿戴式的觸覺傳感裝置，搭建了觸覺傳感裝置的信息采集系統(tǒng)，并對(duì)觸覺傳感裝置進(jìn)行了靜態(tài)標(biāo)定，得到各觸覺單元的數(shù)學(xué)模型.

2)對(duì)觸覺傳感裝置進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)及觸覺單元方向識(shí)別分析.

3)將可穿戴式觸覺傳感裝置應(yīng)用于三自由度柔順機(jī)械臂上進(jìn)行機(jī)械臂碰撞檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，對(duì)機(jī)械臂的避讓運(yùn)動(dòng)曲線做分析，從而驗(yàn)證了觸覺傳感裝置的有效性及觸覺單元接觸力理論分析的合理性，可將其設(shè)備應(yīng)用于人機(jī)交互中進(jìn)行碰撞檢測(cè)，提高人機(jī)交互安全性.