基于接觸力識別的人機(jī)協(xié)作控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

肖金壯，趙帥，王偉，王洪瑞

( 1.河北大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，河北 保定 071002；2.保定市一禾電氣有限公司，河北 保定 071000 )

近年來,隨著智能制造領(lǐng)域的快速發(fā)展,物理人機(jī)交互(pHRI， physical human-robot interaction)或人機(jī)協(xié)作(HRC， human robot collaboration)受到研究者越來越多的關(guān)注,并成為熱點(diǎn).人機(jī)協(xié)作可實(shí)現(xiàn)人與機(jī)器人在工作能力方面的優(yōu)勢互補(bǔ)[1],如結(jié)合人體在運(yùn)動過程中的靈活性與機(jī)械臂工作過程中可實(shí)現(xiàn)大功率輸出的特性,可完成高復(fù)雜度的任務(wù),提升工作效能. 人與機(jī)器人的協(xié)作過程可分為3個(gè)層次[1]即安全層(safety layer)、共存層(coexistence layer)、協(xié)作層(collaboration layer).安全層是保證機(jī)器與人協(xié)作的基本層，沒有安全前提不能通過人機(jī)協(xié)作完成任務(wù)，中國也將這種可協(xié)作的機(jī)器人稱為共融機(jī)器人，也提到必須保證交互過程的安全問題[2].共存層是在沒有外界干預(yù)的情況下，人和機(jī)器人可以工作在同一空間.協(xié)作層是人可以直接與機(jī)器人共同完成一項(xiàng)任務(wù)，在整個(gè)過程中，人和機(jī)器人有物理接觸.本研究針對協(xié)作層，設(shè)計(jì)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人識別人的接觸力信息，并完成相應(yīng)操作任務(wù).

在協(xié)作過程中，需要采集操作者和機(jī)器人(機(jī)械臂)的接觸信息(接觸點(diǎn)位置和接觸力的大小及方向)，通過這些信息可使機(jī)器人能識別操作者的意圖.基于準(zhǔn)確的接觸信息，可以利用機(jī)器人模型得出精確控制方法，但是該信息通常很難精確獲取.解決方法之一為在機(jī)器人上安裝外部傳感器.文獻(xiàn)[3-5]采集接觸信息的方式為利用敏感皮膚(tactile skin)傳感器.此類方法通過接觸安裝傳感器的部位直接獲取有效的接觸信息,進(jìn)而達(dá)到機(jī)器人與操作者之間的協(xié)作目的.另一類解決方法利用機(jī)器人驅(qū)動電機(jī)電樞電流或扭矩信息,或利用安裝于機(jī)器人本體上的關(guān)節(jié)力/扭矩傳感器獲取的信息.如文獻(xiàn)[6]利用人與機(jī)器人接觸時(shí)關(guān)節(jié)伺服電機(jī)的電流變化信息提取操作者意圖,并生成機(jī)器人控制任務(wù).Alessandro等[7-9]采用系統(tǒng)總能量的變化信息,在不使用力/扭矩傳感器的情況下實(shí)現(xiàn)對操作者意圖的檢測.尤其文獻(xiàn)[9]給出了各類接觸情況及其意圖提取方法的綜述.文獻(xiàn)[1]同時(shí)從能量與視覺角度檢測操作者的意圖.

在人機(jī)交互時(shí)，無論采用外部傳感器還是使用本身傳感器，都需要始終接觸機(jī)器人，從而使機(jī)器人實(shí)時(shí)感受人的意圖.本文提出的機(jī)器人只利用短暫力接觸信息，識別操作者的意圖，并自動運(yùn)行到操作者目標(biāo)位置.對于定點(diǎn)搬運(yùn)任務(wù)，特別是某些操作者無法到達(dá)的場合，可以使用該人機(jī)協(xié)作方式；同時(shí)，操作者不需要移動，減輕了操作者的運(yùn)動消耗.

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本文首先介紹了機(jī)器人的位置控制環(huán)原理，并給出了常用基于短暫接觸力的意圖識別方法，定義了人機(jī)協(xié)作機(jī)器人4個(gè)定點(diǎn)搬運(yùn)任務(wù).同時(shí)，介紹了接觸區(qū)域安裝壓力傳感器的方式.最后在一維平面機(jī)械臂上驗(yàn)證方法的有效性.

1 人機(jī)協(xié)作系統(tǒng)原理

本研究所設(shè)計(jì)系統(tǒng)包括2個(gè)相對獨(dú)立的部分，即機(jī)器人本體位置環(huán)運(yùn)動控制和人機(jī)接觸力的意圖識別.

1.1 一維平面機(jī)器人模型及控制

n關(guān)節(jié)剛性機(jī)器人動力學(xué)模型[10]如式(1)所示.

(1)

(2)

本文側(cè)重驗(yàn)證利用接觸力提取操作者意圖,并控制機(jī)械臂運(yùn)動到達(dá)意圖目標(biāo)位置的方法.考慮到平面運(yùn)動機(jī)械臂的勢能為0,可知系統(tǒng)動力學(xué)方程為線性的,這里采用式(3)所示傳統(tǒng)PD控制器實(shí)現(xiàn)位置閉環(huán).完整系統(tǒng)控制框圖如圖1所示.閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性已證明[10].

圖1 機(jī)械臂控制框圖Fig.1 Control diagram of manipulator

(3)

其中，e=θd-θ，θd為期望角度即期望點(diǎn)；θ為實(shí)際角度.

1.2 接觸意圖識別

為了能精確檢測人-機(jī)接觸力,在接觸區(qū)域兩側(cè)安裝力傳感器,并且使其在接觸時(shí),傳感器只分別檢測操作者與機(jī)械臂末端左、右兩側(cè)垂直方向的接觸力.

情況1:考慮到力接觸特征與接觸力大小及接觸時(shí)間長短有關(guān),可采用如下積分處理形式:

(4)

其中，f(t)為接觸力；t0為接觸開始時(shí)刻；t1為接觸結(jié)束時(shí)刻；KI為積分系數(shù);R為接觸結(jié)束后的積分結(jié)果.

每次接觸過程都會產(chǎn)生一個(gè)R信號.其絕對值的大小作為機(jī)械臂期望位置的判斷指標(biāo)；同時(shí)，接觸方向的不同，產(chǎn)生不同符號的R值，用于確定機(jī)械臂運(yùn)動的正反方向.

情況2：考慮到可以僅使用接觸力的幅值生成R信號，此種情況下，式(4)變?yōu)?/p>

R=K·max[f(t)],

(5)

其中，K為比例系數(shù)；max[·]表示取最大數(shù).

情況3：僅使用時(shí)間信號.此種情況下,接觸力為很小的值,通常無法直接利用精確值提取操作者的意圖,例如力傳感器量程較小,每次接觸時(shí),輸出信號瞬間飽和,此時(shí)假定接觸力為常數(shù),則式(4)變?yōu)?/p>

(6)

其中，a為接觸力常值.

根據(jù)上述3種常見情況及其對應(yīng)的特征值提取方法,本研究對應(yīng)不同的R值,定義相應(yīng)的期望執(zhí)行規(guī)則,機(jī)械臂獲取操作者意圖,自動確定期望搬運(yùn)到達(dá)的目標(biāo)位置,并據(jù)此通過位置運(yùn)動控制環(huán)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)操作.

1.3 執(zhí)行規(guī)則

在利用上述式(4)～(6)確定R值之后,為了使機(jī)器人根據(jù)R值確定期望目標(biāo)位置,并自動運(yùn)行到達(dá),需確定R值與期望目標(biāo)位置間的映射規(guī)則.本研究定義規(guī)則如表1所示.

表1 定點(diǎn)識別規(guī)則

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 系統(tǒng)構(gòu)成

為了驗(yàn)證本文提出的人機(jī)協(xié)作控制方法的有效性，本文構(gòu)建一維平面機(jī)械臂半實(shí)物仿真系統(tǒng).實(shí)物和原理分別如圖2和圖3所示.驅(qū)動采用Panasonic公司的MSMA042A1G型伺服電機(jī)及MSDA043A1A型伺服單元，并切換其工作在轉(zhuǎn)矩模式，電機(jī)由伺服單元提供電流，尾部裝有編碼器用于實(shí)時(shí)角度測量，采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行位置控制.計(jì)算機(jī)內(nèi)裝有實(shí)時(shí)控制軟件WinCon，可編譯、管理和啟動由Simulink模型生成的代碼，通過Q8卡控制伺服系統(tǒng)，力接觸信息也通過Q8卡反饋到計(jì)算機(jī)，達(dá)到實(shí)時(shí)檢測與控制的目的，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)具體構(gòu)成可參考文獻(xiàn)[11].

圖2 機(jī)械臂實(shí)物Fig.2 Picture of manipulator

圖3 系統(tǒng)原理Fig.3 Diagram of systcmic principle

圖2中，電機(jī)轉(zhuǎn)軸與機(jī)械臂一端固定，機(jī)械臂另一端兩側(cè)均安裝一個(gè)力傳感器.實(shí)驗(yàn)中使用FSR402電阻式薄膜壓力傳感器，質(zhì)量小，利于對機(jī)械臂的控制，輸出為電壓信號，可通過Q8卡上的模擬量輸入接口采集進(jìn)入計(jì)算機(jī).FSR402傳感器力-電壓特性具有非線性，本文使用標(biāo)稱砝碼對力傳感器進(jìn)行標(biāo)定，同時(shí)采用三次樣條插值法計(jì)算接觸力大小.

為驗(yàn)證位置環(huán)控制性能,設(shè)θd=π/2,響應(yīng)輸出如圖4中實(shí)線所示.可見系統(tǒng)可準(zhǔn)確到達(dá)期望位置,表明給出的PD控制器作用下的位置閉環(huán)系統(tǒng)可行.引入接觸力傳感器的機(jī)器人系統(tǒng)控制框圖如圖5所示.操作者通過接觸FSR力傳感器產(chǎn)生力信號,采用本文1.2部分設(shè)計(jì)的特征提取算法處理后,經(jīng)過本文1.3部分所述映射規(guī)則，并執(zhí)行位置控制.圖6給出情況1下正向接觸力傳感器時(shí)對應(yīng) Simulink控制程序,其中,通過比例系數(shù)將脈沖數(shù)轉(zhuǎn)化為弧度作為位置反饋信號,所采用編碼器的參數(shù)為2 500脈沖/圈,經(jīng)4倍頻產(chǎn)生10 000脈沖/圈,經(jīng)低通濾波降噪后與期望值求差得到誤差信號,經(jīng) PD 控制算法得到電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制命令,控制伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)角. 圖7給出了力信號處理部分的具體 Simulink程序，其中力傳感器輸出電壓信號經(jīng)AD轉(zhuǎn)換器采集, 為確保無接觸時(shí)輸出為0，這里減去一個(gè)常值,該值的大小決定于傳感器自身差異,由事先檢測確定, 再經(jīng)低通濾波器和絕對值運(yùn)算后積分.為了保證積分時(shí)間在(t0,t1)使用了2個(gè)觸發(fā)子系統(tǒng),力信號的處理與判斷則通過所編寫的S-Function系統(tǒng)函數(shù)實(shí)現(xiàn)，并輸出意圖目標(biāo)位置.同時(shí)規(guī)定，本實(shí)驗(yàn)取表1中n=4，即θ1=0、θ2=π/2、θ3=π、θ4=3π/2 .在機(jī)械臂底座已標(biāo)明對應(yīng)的θi(i=1,2，3,4)，如圖2的θ1～θ4.具體的R取值為R1=0,R2=1，R3=2，R4=3，R5=4.

圖4 θd=π/2時(shí)的響應(yīng)Fig.4 Response while θd=π/2

圖5 意圖識別控制Fig.5 Control diagram of intention identification

圖6 實(shí)際控制程序Fig.6 Diagram of practical control program

圖7 力信號處理Fig.7 Diagram of force signal processing

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

本研究所完成3種情況下的實(shí)驗(yàn)首先均以π為目標(biāo)位置,相應(yīng)特征提取參數(shù)分別設(shè)置為KI=1,K=1,a=0.22,結(jié)果中實(shí)線對應(yīng)正向接觸機(jī)械臂,虛線對應(yīng)反向接觸,如圖8～10所示.圖8給出情況1下機(jī)械臂正、反2種方向接觸機(jī)械臂時(shí)的響應(yīng)過程. 可見,通過積分處理力信號,機(jī)器人根據(jù)接觸力的幅值與接觸時(shí)間的長短判斷操作者的目標(biāo)意圖位置為π,對應(yīng)期望位置π完成相應(yīng)操作,反方向接觸時(shí)也可準(zhǔn)確到達(dá).圖9給出情況2下機(jī)械臂正、反2種方向接觸機(jī)械臂時(shí)的響應(yīng)過程.可見,只考慮力幅值時(shí),機(jī)器人根據(jù)力的最大值判斷操作者的目標(biāo)意圖位置,對應(yīng)得到π,并根據(jù)期望位置π,完成相應(yīng)操作,反方向接觸時(shí)也可準(zhǔn)確到達(dá).圖10給出情況3下機(jī)械臂正、反2種方向接觸機(jī)械臂時(shí)的響應(yīng)過程.可見, 只考慮接觸時(shí)間時(shí),假設(shè)接觸力為常數(shù), 機(jī)器人通過計(jì)算接觸時(shí)間長短信息并利用映射關(guān)系獲取操作者的目標(biāo)意圖位置為 π,并將該位置作為位置環(huán)期望位置,完成相應(yīng)操作,在反方向接觸力傳感器時(shí)也可準(zhǔn)確完成.圖11給出情況1下正向接觸力傳感器相應(yīng)的力信號、操作意圖信號及運(yùn)動到達(dá)目標(biāo)位置π/2(θ2)的響應(yīng)曲線.實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明,本文提出的人機(jī)協(xié)作系統(tǒng)構(gòu)建方案及處理算法,可在操作者與機(jī)械臂短暫接觸情況下,實(shí)現(xiàn)機(jī)器人對操作者意圖的準(zhǔn)確識別和搬運(yùn).

圖8 以接觸力大小和時(shí)間識別意圖的實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.8 Experiment results of identifying intention by touched value and period

圖9 以接觸力峰值識別意圖的實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.9 Experiment results of identifying intention by touched peak-value

圖10 以接觸時(shí)間識別意圖的實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.10 Experiment results of identifying intention by touched period

圖11 目標(biāo)位置為π/2的實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.11 Experiment results of target position π/2

3 結(jié) 論

為實(shí)現(xiàn)人-機(jī)協(xié)作搬運(yùn)任務(wù),本文提出了一種基于接觸力操作意圖識別的搬運(yùn)機(jī)器人原型機(jī)構(gòu)建方法.同時(shí)在伺服電機(jī)轉(zhuǎn)矩模式下,設(shè)計(jì)PD控制器實(shí)現(xiàn)位置閉環(huán), 操作者與機(jī)器人的接觸力通過FSR力傳感器檢測,計(jì)算機(jī)對力進(jìn)行信號處理,并將接觸特征作用于位置閉環(huán)控制,考慮到力信號幅值與時(shí)間的差異,對應(yīng)3種常見的人-機(jī)力接觸方式,給出相應(yīng)特征提取方法和力特征與意圖目標(biāo)的映射規(guī)則, 生成期望位置，并控制機(jī)器人運(yùn)動到達(dá)操作者的意圖搬運(yùn)目標(biāo). 通過單機(jī)械臂半實(shí)物仿真系統(tǒng)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn), 證明了上述人-機(jī)協(xié)作系統(tǒng)構(gòu)建、信號處理與控制方法的正確性與合理性.同時(shí), 由本驗(yàn)證系統(tǒng)構(gòu)建過程可知,為了保證操作者的安全性,也可采用力傳感器與機(jī)械臂分離的系統(tǒng)構(gòu)建方式,這樣可使操作者與搬運(yùn)機(jī)器人處于不同的空間.