老人服務(wù)機(jī)器人機(jī)械臂控制系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)方法

常州工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 郭發(fā)勇 李 瑋中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院先進(jìn)制造技術(shù)研究所 趙江海

為老人提供各種服務(wù)的機(jī)器人成為一種迫切的社會(huì)需求。為提升老人服務(wù)機(jī)器人控制系統(tǒng)性能，對(duì)軟件及硬件架構(gòu)進(jìn)行深層次分析，提出了一種包含三層控制系統(tǒng)架構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，在現(xiàn)有機(jī)器人操作系統(tǒng)ROS的基礎(chǔ)上，向上拓展應(yīng)用技術(shù)開發(fā)，向下延伸底層硬件驅(qū)動(dòng)技術(shù)。將該方法應(yīng)用在一種新型老人服務(wù)機(jī)器人上，對(duì)老人服務(wù)機(jī)器人的機(jī)械臂系統(tǒng)開展運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，驗(yàn)證了該方法的有效性，實(shí)現(xiàn)了室內(nèi)物體抓取，可通用于一般的服務(wù)機(jī)器人。

我國(guó)是人口大國(guó)，由于政策等原因使家庭老人的數(shù)量迅速增加，已經(jīng)成為世界上人口老齡化速度最快的國(guó)家之一，并且我國(guó)人口基數(shù)龐大，老齡化人口的絕對(duì)數(shù)龐大。第七次人口普查結(jié)果顯示中國(guó)超過60歲的老人將達(dá)到2.6億人，老齡化程度進(jìn)一步加深。因此，對(duì)于養(yǎng)老護(hù)理人員的需求極其旺盛，民政部官員表示，中國(guó)未來最少需要1000萬名養(yǎng)老護(hù)理人員，這種巨大的需求將衍生出特殊的市場(chǎng)。老人服務(wù)機(jī)器人正是面向全民健康領(lǐng)域的國(guó)家重大需求，研發(fā)老人服務(wù)機(jī)器人具有重要的研究?jī)r(jià)值并將為社會(huì)帶來較大的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益。

近年來國(guó)內(nèi)外眾多企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)開展老人服務(wù)機(jī)器人的研究工作，例如本田汽車公司研發(fā)的ASIMO機(jī)器人可以根據(jù)人類的聲音、手勢(shì)等指令做出相應(yīng)的動(dòng)作。國(guó)內(nèi)老人服務(wù)機(jī)器人也以突破環(huán)境識(shí)別、自主行走、任意抓取等多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，可為老人提供多功能服務(wù)。日本SCHAFT公司的HRP-2型機(jī)器人、日本國(guó)家先進(jìn)工業(yè)技術(shù)研究院(AIST)的HRP-4C型機(jī)器人等也被用于研究。日本理化學(xué)研究所設(shè)計(jì)開發(fā)的RIBA機(jī)器人系列輕柔的動(dòng)作可以將人類抱起或放下，或者是幫助其站立起來。

本文提出了一種新型老人服務(wù)機(jī)器人控制系統(tǒng)架構(gòu)，以此為基礎(chǔ)開發(fā)設(shè)計(jì)了一款老人服務(wù)機(jī)器人，開展各項(xiàng)測(cè)試和實(shí)驗(yàn)工作，可抓取水杯、藥品，為老人提供各項(xiàng)服務(wù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該架構(gòu)的有效性。

1 控制系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)（見圖1）

圖1 控制系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

采用三層控制架構(gòu)，整個(gè)系統(tǒng)分為3層，分別為會(huì)話層、決策層、物理層：

應(yīng)用層一般采用移動(dòng)終端，硬件可用嵌入式PC、安卓設(shè)備等，具備良好的可視化界面，可進(jìn)行系統(tǒng)參數(shù)配置通過有線/無線網(wǎng)絡(luò)控制機(jī)器人本體；終端上提供5-10Hz刷新頻率的系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)功能，包括系統(tǒng)各個(gè)執(zhí)行部件、傳感器，可進(jìn)行機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)仿真；提供任務(wù)編程腳本編輯、任務(wù)分解流圖等高級(jí)應(yīng)用，提供各類系統(tǒng)軟件API接口供給測(cè)試及二次開發(fā)。

決策層包含運(yùn)動(dòng)控制單元和感知決策單元。運(yùn)動(dòng)控制單元主要包含機(jī)器人機(jī)械臂上核心算法計(jì)算和外圍通信處理，包括復(fù)雜動(dòng)力學(xué)迭代計(jì)算、雙臂協(xié)同軌跡規(guī)劃以及其他數(shù)值運(yùn)算，對(duì)決策層運(yùn)動(dòng)控制單元開展軟件功能設(shè)計(jì)，包括通信接口、核心算法及底層驅(qū)動(dòng)三個(gè)方面內(nèi)容，如圖2所示。感知決策單元核心器件為深度機(jī)器視覺傳感器，用于環(huán)境感知、SLAM語義地圖構(gòu)建、物體定位識(shí)別，為機(jī)械臂提供精確的物體位姿姿態(tài)信息。

圖2 軟件功能設(shè)計(jì)

物理層包含執(zhí)行單元(電機(jī)、驅(qū)動(dòng)器、減速機(jī))、力傳感器和高速總線構(gòu)成。高速總線采用成本較低的CAN總線，搭載CANOpen CIA402運(yùn)動(dòng)控制協(xié)議，或者采用成本較高的Ethercat總線，搭載COE運(yùn)動(dòng)控制協(xié)議，實(shí)現(xiàn)2-10ms控制周期插補(bǔ)控制，可實(shí)時(shí)采集各個(gè)電機(jī)的位置、速度、加速度、溫度、力矩等數(shù)據(jù)；電機(jī)、驅(qū)動(dòng)器采用小體積高功率密度器件；力矩傳感器包含安裝在手腕部和手指部，手腕部的傳感器可進(jìn)行分別用于變負(fù)載物體抓取和動(dòng)力學(xué)碰撞檢測(cè)，安裝于手指部的壓力傳感器可模擬皮膚采集物體觸摸力。

系統(tǒng)軟件基于Linux操作系統(tǒng)，采用開源框架，其中系統(tǒng)內(nèi)部通信框架采用LCM/ROS系統(tǒng)組件，搭載Prempt-RT Linux實(shí)時(shí)核，利用Orocos開源控制系統(tǒng)軟件進(jìn)行機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)計(jì)算，控制雙臂和底盤。

圖3 軟件系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

2 機(jī)械臂模型分析

老人服務(wù)機(jī)械人機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型建立的方法采用的是傳統(tǒng)的D-H方法，其D-H坐標(biāo)分布圖如圖4所示。

圖4 D-H機(jī)械臂連桿坐標(biāo)系

采用機(jī)器人工具箱對(duì)機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)學(xué)模型開展仿真研究，用于判斷機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)算法是否可以有效執(zhí)行。本文采用MATLAB軟件的機(jī)器人工具箱Robotic Toolbox進(jìn)行老人服務(wù)機(jī)器人的正逆運(yùn)動(dòng)學(xué)和逆動(dòng)力學(xué)仿真，利用標(biāo)準(zhǔn)的MATLAB編程環(huán)境和控制器流圖仿真，模擬機(jī)器人連桿模型、軌跡運(yùn)動(dòng)規(guī)劃、障礙物碰撞檢測(cè)和機(jī)械臂物體抓取阻抗控制算法。修改了機(jī)器人工具箱的部分功能（僅能仿真單個(gè)機(jī)械臂），將其拓展為多機(jī)械臂仿真控制，如圖5所示，采用表1中的D-H參數(shù)建立與實(shí)際機(jī)器人本體參數(shù)一致的仿真模型。

圖5 雙臂Matlab仿真

表1 機(jī)械臂D-H參數(shù)

逆運(yùn)動(dòng)學(xué)的求解有兩種常用方法，幾何解和數(shù)值解采用Newton-Raphson算法作為求解逆運(yùn)動(dòng)學(xué)方法。即是從當(dāng)前狀態(tài)的關(guān)節(jié)角減去一個(gè)，考慮到位姿的微小變化量，矩陣J為雅克比矩陣，通過矩陣的逆運(yùn)算可以得到為：

式中J —1為J的廣義逆解。通過循環(huán)求解關(guān)節(jié)角的修正量不斷縮小位姿誤差，其求解過程如圖6所示。該方法在MATLAB中較為容易實(shí)現(xiàn)，但是考慮到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信和控制算法的需要，本文基于Moore-Penrose的對(duì)廣義逆的定義在雙臂機(jī)器人控制核心RT-Linux內(nèi)核中編寫求解矩陣的廣義逆解或偽逆的算法以提高實(shí)時(shí)性。

圖6 Newton-Raphson法求解逆運(yùn)動(dòng)學(xué)

3 機(jī)械臂抓取實(shí)驗(yàn)

根據(jù)本文設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)框架，開發(fā)了一款老人服務(wù)機(jī)器人，該機(jī)器人利用頭部的Kinect體感攝像頭進(jìn)行環(huán)境識(shí)別和物體定位，實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂指定位置的抓取，圖7所示。

圖7 雙臂機(jī)器人物體抓取測(cè)試

本文提出了老人服務(wù)機(jī)器人三層架構(gòu)控制系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)方法并對(duì)通用老人服務(wù)機(jī)器人的機(jī)械臂系統(tǒng)開展運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，將該方法應(yīng)用在一種新型老人服務(wù)機(jī)器人上，實(shí)現(xiàn)了室內(nèi)物體抓取，驗(yàn)證了該方法的有效性，具有一定的示范意義及通用拓展性。