移動機器人安全性研究綜述

石金進(jìn)，朱成龍

(三峽大學(xué) 機械與動力學(xué)院，宜昌 443002)

移動機器人是機器人領(lǐng)域的重要分支，近年來隨著機器人技術(shù)的不斷發(fā)展，自主移動機器人的應(yīng)用范圍已開始逐漸從室內(nèi)環(huán)境推廣到室外環(huán)境，以替代人類完成諸如物流運輸、安全巡檢、載人等任務(wù)[1]，如圖1所示。這些機器人有一個共同的特點就是通常運行速度較快、慣量較大，一旦撞擊到人，造成的傷害將不可估量。雖然移動機器人已有幾十年的發(fā)展歷史，但是還沒有真正實現(xiàn)普及，其中一個很重要的原因就是安全性問題還沒有完全得到解決，移動機器人傷人的事件屢見不鮮。

早在1942年，美國科幻作家Isaac Asimov就在其科幻小說《我，機器人》中對機器人提出了3條規(guī)則[2]：①機器人不但不能主動傷害人類，而且也不能見到人類受到傷害而不管不顧；②機器人必須恪守人類的命令，除非該指令與前一條規(guī)則沖突；③在不違背前兩條規(guī)則的前提下，機器人也必須保護(hù)自身的安全。盡管這個規(guī)則是在20世紀(jì)早期提出的，但作為機器人設(shè)計的安全性準(zhǔn)則至今仍得到廣泛認(rèn)同[3]。

目前，國內(nèi)外已有眾多學(xué)者對移動機器人安全性展開了研究，并取得了階段性成果。本文從被動安全、主動安全、物理安全和心理安全4個方面闡述了現(xiàn)有研究現(xiàn)狀，在此基礎(chǔ)上分析了目前機器人安全性研究存在的問題及未來的發(fā)展趨勢。

1 被動安全研究進(jìn)展

被動安全通常是在機器人關(guān)鍵部位增加保護(hù)裝置降低碰撞的危害程度，常見的保護(hù)措施有如下3種：

1) 吸能防護(hù)，是一種安裝在機器人周圍帶有彈性的防護(hù)裝置。當(dāng)機器人與人發(fā)生碰撞后，靠彈性防護(hù)裝置產(chǎn)生的物理形變來吸收碰撞產(chǎn)生的能量，對人體和機器人起到緩沖保護(hù)作用。由于慣性的原因，碰撞發(fā)生后機器人不能立即停止，如果機器人的慣量較大，這種措施仍然會給人體造成一定的傷害[4]。

2) 探針防護(hù)，是一種伸縮式接觸開關(guān)。當(dāng)碰撞發(fā)生后探針會觸發(fā)危險信號，機器人接收到信號后，就可以進(jìn)一步采取措施避免碰撞加劇。由于探針是單點工作，服務(wù)盲區(qū)大且容易損壞，因此一般適用于處理狹小空間的防撞技術(shù)要求。

3) 護(hù)欄防撞，是一種通過在機器人外圍安裝韌性較高的金屬弧形裝置來降低碰撞的危害程度的防護(hù)裝置，效果與吸能防護(hù)類似，但壓縮行程要比吸能防護(hù)大很多，對碰撞的緩沖更大，安全性也更高，但相應(yīng)地也大大增加了占地面積，適用于對機器人體積要求不高的場合。

雖然被動安全不會受到環(huán)境干擾的影響，但是被動安全沒有預(yù)見性，直到發(fā)生碰撞后才觸發(fā)保護(hù)機制，因此只能起到削弱撞擊力的作用。

如果管溝底部平直且土壤中基本沒有大石塊或底部土層沒有擾動，就無需平整；如果底部土層被擾動，則采用直徑20～50 mm級配碎石塊混合沙土和黏土等材料墊平，墊層厚度為150 mm，夯實的密實度應(yīng)大于90%。應(yīng)盡可能避免管道表面劃傷。

2 主動安全研究進(jìn)展

與被動安全不同的是，現(xiàn)有主動安全技術(shù)主要是通過非接觸式傳感器測量障礙物與機器人本體的相對距離、速度等運動狀態(tài)信息，并據(jù)此規(guī)劃機器人的路徑，調(diào)節(jié)機器人的運動狀態(tài)，達(dá)到防撞的目的，這是當(dāng)前機器人安全性的主流防撞策略。常見的非接觸傳感器有：超聲波傳感器、紅外傳感器、激光雷達(dá)傳感器、視覺傳感器等[5]。移動機器人主動安全主要是行為意圖辨識，下面對這方面的研究現(xiàn)狀進(jìn)行介紹。

在道路交通環(huán)境中，行人在注意力不集中或視線受阻時，往往會突然改變行動計劃，而且隨著各種交通輔助工具的不斷涌現(xiàn)，進(jìn)一步增加了行人行為的不確定性和危險性。基于物理狀態(tài)測量的方法在描述人機碰撞危險關(guān)系時，多是將人當(dāng)作移動的障礙物，缺少對人的危險態(tài)勢進(jìn)行識別與分析方面的研究內(nèi)容，因此在危險程度的評估上很難做到客觀、準(zhǔn)確。

以圖2為例，在道路交通環(huán)境中，行人在注意力不集中、視線受阻或使用危險性較高的交通工具時，很容易與車輛發(fā)生碰撞。出現(xiàn)這種情況，通常都是由于缺乏對行人的危險性進(jìn)行預(yù)判，人車之間的安全距離不夠，導(dǎo)致駕駛員反應(yīng)不及時而發(fā)生交通事故。

與此類似，倘若在設(shè)計移動機器人安全系統(tǒng)時，沒有考慮行人的危險性因素的影響，當(dāng)遇到緊急突發(fā)情況時，受機器人自身慣性和遲滯響應(yīng)特性的約束，很難像一般自動化系統(tǒng)那樣實現(xiàn)緊急停止，這就極易引起重大安全事故。

行為意圖辨識是根據(jù)外貌特征對行人的行為意圖和危險性進(jìn)行估計。早期，學(xué)者們主要利用支持矢量機、Adaboost、決策樹等傳統(tǒng)機器學(xué)習(xí)算法識別人體頭部和身體朝向[6]，判斷行人的行動意圖[7](圖3)。近年來，隨著腦科學(xué)人工智能理論研究取得巨大突破，有學(xué)者嘗試?yán)蒙疃葘W(xué)習(xí)理論對行人的性別[8]、年齡[9]等潛在屬性，以及諸如站立、行走、奔跑等更復(fù)雜的行為進(jìn)行識別與分類[10](圖4)。通過對行人的行為意圖進(jìn)行辨識具有以下3個方面的優(yōu)點：①機器人可以提前采取控制措施，防止因為突發(fā)情況反應(yīng)不及時而發(fā)生碰撞；②能夠使規(guī)劃出的路徑變得更加合理；③縮短人機之間的距離，使機器人融入到人們的日常生活與生產(chǎn)環(huán)境中。目前，基于深度學(xué)習(xí)的行為與屬性識別方面的研究主要應(yīng)用于輔助駕駛[11]、視頻監(jiān)控[12-14]等領(lǐng)域，在機器人安全性領(lǐng)域的應(yīng)用還沒有引起足夠的重視。

3 物理安全研究進(jìn)展

基于物理狀態(tài)的安全性是指根據(jù)人機之間的相對距離、速度、方位等物理量判斷機器人當(dāng)前的安全狀態(tài)，并采取相應(yīng)的措施規(guī)避危險。

3.1 警戒型控制

警戒型控制是指機器人根據(jù)人機相對物理量，判斷是否有被控對象闖入安全空間范圍內(nèi)，并采取急停、迅速逃離等方法脫離危險。

韓贊東等[16]利用超聲定位技術(shù)探測機器人周圍是否有行人接近，一旦檢測到有人進(jìn)入安全空間范圍內(nèi)，機器人則立即停止并發(fā)出警報，以防止事態(tài)進(jìn)一步惡化。

警戒型控制主要應(yīng)用于工業(yè)或家庭服務(wù)等低速移動機器人中[17]。在人機共處復(fù)雜環(huán)境中，由于警戒型控制沒有對目標(biāo)的危險性進(jìn)行判別，很容易將虛假目標(biāo)誤認(rèn)為是潛在的對象，造成頻繁啟停，嚴(yán)重影響機器人的正常運行。

3.2 碰撞預(yù)測

碰撞預(yù)測是指根據(jù)物理量進(jìn)行軌跡預(yù)測和危險指數(shù)評估，然后利用路徑規(guī)劃算法，以危險指數(shù)最小化為原則優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)。

郝大鵬等[18]提出基于接觸時間的安全策略，將接觸時間作為危險評價指標(biāo)，利用線速度和角速度計算人機之間任意兩點的接觸時間，將構(gòu)型空間映射為接觸時間，將接觸時間應(yīng)用于經(jīng)典行為動力學(xué)導(dǎo)航方法以提高自主移動機器人的導(dǎo)航安全性。SHIBATA等[19]在人工勢場函數(shù)中引入速度矢量，LOPEZ等[20]利用距離和方位來計算人機可能發(fā)生碰撞的時間和地點。

鑒于行人運動存在不確定性，NAGARIYA等[21]將不確定度引入碰撞區(qū)域預(yù)測模型中，根據(jù)距離、運動速度及其概率分布，預(yù)測機器人與行人的潛在碰撞區(qū)域，并根據(jù)不確定度進(jìn)行碰撞危險區(qū)域擴充以重構(gòu)環(huán)境威脅區(qū)域分布。郝大鵬等[22]則根據(jù)位姿變化將被測對象分為靜止和移動障礙物，結(jié)合環(huán)境信息的不完整性和障礙物運動信息，提出可感知速度障礙物(PVO)概念，將障礙物定義為機器人感知障礙物區(qū)域沿其運動方向膨脹得到的虛擬碰撞危險區(qū)域，最后將PVO應(yīng)用于行為動力學(xué)中完成碰撞控制。

4 心理安全研究進(jìn)展

機器人運行過程中，有時即使沒有撞擊到人，也會給人造成心理上的危險感受。另外，人的心理承受能力都有一定的界限，且人與人之間對外界刺激的敏感程度也有很大差異。以圖5為例，即使機器人沒有撞擊到行人，倘若在行駛過程中給周圍的行人造成心理上的危險感受，不僅可能造成次生撞擊事件，而且還會產(chǎn)生抵制情緒，嚴(yán)重阻礙機器人的發(fā)展和普及。因此，在設(shè)計機器人系統(tǒng)時，既要考慮物理方面的安全，同時也要兼顧周圍人員的心理危險感受，防止給人造成心理上的傷害。

為了確保心理安全，最直觀的方式是控制機器人與人保持一定的安全距離[23]。機器人以不同的速度運行，給人的危險感受是不一樣的，同時機器人與人之間的距離不同，危險程度也不一樣。雖然增大人機之間的安全距離可以確保行人的心理具有足夠的安全裕度，但是距離過大會導(dǎo)致機器人誤動作的頻率升高，影響機器人的正常工作，而縮小距離則危險性將大大提高。據(jù)此，TRUONG等[24]根據(jù)人機相對運動速度、距離和方位動態(tài)調(diào)整人機之間的安全距離，避免給人造成嚴(yán)重心理傷害；SHIOMI等[25]則采用社會力模型，將人與人、人與機器人之間的相互關(guān)系考慮到機器人安全系統(tǒng)設(shè)計中，從群體的角度進(jìn)行了心理安全方面的研究。由于人與人之間的心理承受能力有很大差異，現(xiàn)有研究缺乏對人的心理承受能力進(jìn)行識別與分析，因此很難從根本上保障心理安全。

5 存在問題及發(fā)展趨勢

目前，國內(nèi)外學(xué)者從機械結(jié)構(gòu)、控制策略、智能感知等方面對移動機器人安全性開展了相關(guān)研究，以確保自身及周圍人員的安全。然而，隨著機器人從室內(nèi)環(huán)境逐漸向室外環(huán)境推廣，機器人安全性的研究還存在以下幾個問題：

1) 環(huán)境感知技術(shù)有待提高。移動機器人受到周邊事物、道路條件、氣候變化等諸多因素的影響，如何克服這些因素的干擾，準(zhǔn)確可靠地感知周圍環(huán)境的變化，是確保機器人安全可靠地進(jìn)行決策及運動控制的前提。雖然已有學(xué)者在環(huán)境識別方面進(jìn)行了研究，但如何在成本、精度、快速、魯棒之間折中實現(xiàn)環(huán)境感知還有待進(jìn)一步提高。

2) 機器人應(yīng)急響應(yīng)能力有待提高。隨著機器人應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展，其運動環(huán)境也由簡單的結(jié)構(gòu)化環(huán)境向著復(fù)雜多變的非結(jié)構(gòu)化環(huán)境發(fā)展。這就要求機器人能夠?qū)?fù)雜工作環(huán)境下的突發(fā)情況進(jìn)行高效精準(zhǔn)的判斷，并作出快速的響應(yīng)，為機器人的有效應(yīng)對提供條件。雖然已有學(xué)者在機器人危險狀態(tài)偵測等方面進(jìn)行了深入的研究，但現(xiàn)有移動機器人系統(tǒng)一般根據(jù)人機相對距離、速度和加速度等物理量進(jìn)行危險性預(yù)測，缺少對人的危險態(tài)勢進(jìn)行識別與分析方面的內(nèi)容，導(dǎo)致應(yīng)對突發(fā)情況的能力不足。

3) 缺乏心理安全設(shè)計。如果機器人系統(tǒng)缺乏心理安全設(shè)計，那么在道路行駛過程中可能會因為速度過快、距離太近等因素給周圍的行人造成心理上的危險感受，從而產(chǎn)生抵制情緒，阻礙機器人的發(fā)展和普及。因此，在設(shè)計智能移動機器人系統(tǒng)時，既要保證物理方面的安全，同時也有必要考慮周圍人員的感受，否則機器人就是一個“冰冷”的機器[26]，這是目前移動機器人安全性研究領(lǐng)域需要解決的又一個問題。

根據(jù)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，機器人安全性的研究將向著以下3個方面發(fā)展：

1) 多信息融合的環(huán)境感知能力。機器人應(yīng)能夠?qū)崿F(xiàn)多傳感器信息有效融合，對動態(tài)環(huán)境信息進(jìn)行快速、準(zhǔn)確的判斷，以保證機器人不會因為判斷失誤而對機器人的安全性造成威脅，并將外部信息與安全系統(tǒng)有機結(jié)合，實現(xiàn)機器人安全的運動。

2) 準(zhǔn)確、快速的判斷及反應(yīng)能力。為了更為有效地分析行人與機器人的潛在沖突，可以通過分析行人的動作和屬性判斷行人下一時刻的行為和軌跡，通過加入行為預(yù)估模塊，建立更為健全的行人安全保障系統(tǒng)是未來研究的一個方向。

3) 智能化心理預(yù)判能力。為了保障行人的心理安全，根據(jù)行人的外貌特征，通過分析行人個體的心理承受能力，設(shè)計更為有效的行人心理預(yù)知系統(tǒng)，提高行人心理安全指數(shù)，使機器人能夠真正融入到人們的日常生活與生產(chǎn)環(huán)境中。

綜上所述，安全性作為室外移動機器人最本質(zhì)的要求，遠(yuǎn)沒有從根本上得到解決。特別是對于慣量較大、速度較快的移動機器人，要真正實現(xiàn)機器人的安全性是非常困難的。鑒于人機關(guān)系的復(fù)雜性，以及市場對移動機器人需求的不斷增強，安全性研究已經(jīng)越來越迫切，要求我們重新審視人這一關(guān)鍵因素在機器人安全設(shè)計中的重要性，從認(rèn)知、理解，乃至心理[26-27]等多方面研究機器人的安全性問題。

6 結(jié)束語

本文從主動安全、被動安全、物理安全和心理安全4個方面介紹了國內(nèi)外機器人安全性研究現(xiàn)狀，分析單純將人視作移動障礙物存在的不足之處。指出人這一關(guān)鍵因素在機器人安全設(shè)計中的作用，強調(diào)了行為辨識和心理安全在機器人安全性設(shè)計中的重要性，這為后續(xù)機器人安全性研究提供參考。