主從遙操作機(jī)械手的阻尼觸覺反饋

潘雷，潘明章，李勁，梁科

(廣西大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，廣西南寧 530004)

0 前言

遙操作機(jī)械手已經(jīng)成為一個活躍且有趣的研究領(lǐng)域[1]，它將人類的智能與機(jī)器人的高精度相結(jié)合來執(zhí)行長距離或者人類無法到達(dá)的操作，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、航空航天、救援和深海探索等非結(jié)構(gòu)化環(huán)境下的任務(wù)中[2-5]。

在遙操作過程中，操作者與從機(jī)械手分隔兩地，操作者往往只能通過攝像頭提供的視覺信息認(rèn)知從端環(huán)境。然而視覺信息存在畫面分辨率有限、視角的靈活度不足和視野易被遮擋等缺點(diǎn)。雖然可以通過增加攝像頭來提供給操作者更多的環(huán)境信息，但是這無疑會增加操作者的認(rèn)知和工作負(fù)荷。因此，當(dāng)從端工作空間內(nèi)存在障礙物時，遙操作的約束使操作者難以準(zhǔn)確感知障礙物的位置，可能導(dǎo)致危險情況的發(fā)生，比如碰撞。

由于遙操作系統(tǒng)中視覺反饋的種種限制，且隨著觸覺反饋設(shè)備的不斷發(fā)展與進(jìn)步，人們逐漸嘗試開發(fā)觸覺反饋來增強(qiáng)操作者對從機(jī)械手與障礙物的感知，提高遙操作系統(tǒng)的安全性和作業(yè)效率[6]。目前，已有許多觸覺反饋方法被提出，如虛擬夾具[7]、控制屏障[8]、人工勢場[9]等。但這些方法大多數(shù)是基于從機(jī)械手與障礙物之間的位置信息，雖然有少數(shù)方法涉及到速度信息，也只是考慮了速度大小[10]，忽略了速度方向，所生成的觸覺反饋并不夠準(zhǔn)確地反映碰撞信息。為此，本文作者提出阻尼觸覺反饋的方法，并且為了使人類操作員更準(zhǔn)確、更迅速地感知障礙物信息，提出一種避障阻尼模型，該模型除了關(guān)注從機(jī)器人與障礙物之間的距離外，還加入了對從機(jī)器人末端的速度方向這一新因素的考慮，通過速度信息預(yù)測未來一段時間的機(jī)器人運(yùn)動，從而調(diào)整觸覺反饋?zhàn)枘彷o助人類操作者找到無碰撞的運(yùn)動方向。最后通過實(shí)驗(yàn)證明其有效性。

1 遙操作機(jī)械手系統(tǒng)組成與運(yùn)動學(xué)映射

1.1 遙操作系統(tǒng)組成

遙操作系統(tǒng)主要分為3個部分：主動系統(tǒng)、從動系統(tǒng)和通信系統(tǒng)，如圖1所示。人類操作者通過力反饋主手將位置信息通過通信手段傳達(dá)給從端，從而遠(yuǎn)程控制從機(jī)器人按照操作者意圖運(yùn)動。一方面，操作者可以通過顯示器獲取攝像機(jī)提供的從端環(huán)境的視覺信息；另一方面，從機(jī)器人與環(huán)境的交互力信息可以通過力反饋主手傳遞給操作者實(shí)現(xiàn)觸覺反饋。

圖1 遙操作系統(tǒng)原理

1.2 運(yùn)動學(xué)映射

由于大部分主從設(shè)備在構(gòu)型上存在差異，無法在關(guān)節(jié)空間直接進(jìn)行主從映射，所以文中使用笛卡爾空間的位置映射[11]來完成遙操作運(yùn)動控制，如式(1)所示：

vs=Kv·vm

(1)

式中：vm為主手的實(shí)際運(yùn)動速度；vs是發(fā)送給從機(jī)器人控制器的速度指令；Kv是調(diào)整主從速度縮放比例的參數(shù)。

從機(jī)器人的控制器將接收到的控制信號為vs通過逆運(yùn)動學(xué)分解成每個關(guān)節(jié)的角速度，并通過PID控制實(shí)現(xiàn)伺服跟隨，從而實(shí)現(xiàn)遙操作系統(tǒng)的主從運(yùn)動學(xué)映射。

2 觸覺反饋

2.1 觸覺反饋技術(shù)

在機(jī)器人領(lǐng)域，觸覺反饋被廣義地定義為機(jī)器人、人類與真實(shí)、遠(yuǎn)程或者虛擬環(huán)境之間的真實(shí)和模擬的觸覺和力覺的交互。其中觸覺是指與人類皮膚有關(guān)的振感[12]、壓覺、溫度等感官刺激的總稱；而力覺是指人類對與機(jī)器人運(yùn)動學(xué)有關(guān)的位置、速度、慣性力等物理特性的感知。在操作者、主手和從機(jī)械手構(gòu)成的主從遙操作系統(tǒng)中，觸覺反饋技術(shù)的實(shí)現(xiàn)需要主手具有觸覺反饋的功能，觸覺反饋主手可以將從機(jī)械手在真實(shí)或模擬環(huán)境中所生成的力感和觸感反饋給操作者，增強(qiáng)操作者對遠(yuǎn)端環(huán)境的感知。為提高主從遙操作機(jī)器人的安全性，減少甚至避免因網(wǎng)絡(luò)延遲或者操作者人為失誤等導(dǎo)致的從機(jī)械手碰撞、傾覆等危險情況的發(fā)生，觸覺反饋技術(shù)提供了一個切實(shí)可行的方向。

2.2 阻尼觸覺反饋

文獻(xiàn)[1]在研究遙操作系統(tǒng)的主從映射方法時，將主手反饋力設(shè)置為一個與主手位置和速度有關(guān)的彈簧阻尼模型，從機(jī)械手的速度越高，操作者感受到的阻力就越大，如果從機(jī)械手移動過快，操作者將很難繼續(xù)加速從機(jī)械手，因?yàn)樗?她已經(jīng)感受到來自主手的非常高的操作阻力，這可以保證安全操作。受到這一思想的啟發(fā)，為了提高遙操作系統(tǒng)的安全性，減少人為誤操作導(dǎo)致的從機(jī)械手與障礙物碰撞，增強(qiáng)操作者對遠(yuǎn)端障礙物的感知，將主手的觸覺反饋設(shè)置為一個與速度方向有關(guān)的避障阻尼模型，如圖2所示。

圖2 阻尼觸覺反饋示意

速度方向是影響碰撞風(fēng)險的一個重要因素。在存在障礙物的環(huán)境中，當(dāng)從機(jī)械手的末端執(zhí)行器沿不同方向運(yùn)動時，所產(chǎn)生的碰撞風(fēng)險顯然不同。根據(jù)當(dāng)前方向的碰撞風(fēng)險調(diào)整主手觸覺反饋的阻尼值，使操作者感知到不同速度方向上的操作感差異，提供觸覺上的提示，從而幫助操作者尋找安全的運(yùn)動路線，可避免從機(jī)械手與障礙物發(fā)生碰撞。

遙操作系統(tǒng)的阻尼觸覺反饋力Fm由式(2)計算：

Fm=-D·vm

(2)

式中：D為根據(jù)當(dāng)前碰撞風(fēng)險計算得到的操作阻尼值；觸覺反饋力Fm的方向始終與主手速度vm方向相反。

3 避障阻尼模型

為了提高觸覺反饋的準(zhǔn)確性和及時性，同時考慮從機(jī)械手與障礙物的距離因素和速度因素，文中提出式(3)所示的避障阻尼模型：

D=Ddis·(1+λvel)

(3)

式中：Ddis為與障礙物距離有關(guān)的阻尼值；λvel為與速度方向有關(guān)的阻尼增益。

3.1 GJK算法

與傳統(tǒng)的避障策略類似，文中所提出的避障阻尼模型需要計算機(jī)械臂與障礙物之間的最小距離。為此，需要計算障礙物到機(jī)械臂每個連桿的最小距離，則可以檢測出距離障礙物最近的連桿，并將該連桿與障礙物之間的最小距離當(dāng)作該時刻機(jī)械臂與障礙物的最小距離。

傳統(tǒng)碰撞檢測方法使用幾何體包絡(luò)法，即以圓柱體和球體近似替代機(jī)械臂連桿和障礙物來計算距離，將問題簡化為點(diǎn)到線段的距離問題。顯然這種方式無法準(zhǔn)確描述機(jī)械臂在復(fù)雜形狀障礙物環(huán)境中的位置信息，且運(yùn)算量龐大。雖然球體是面對距離計算和碰撞檢測最簡單的實(shí)體，但是它并不能很好地反映真實(shí)環(huán)境，從而導(dǎo)致機(jī)器人在避障過程中存在過于保守的現(xiàn)象，不能充分利用工作空間。

文中采用GJK算法[13]快速計算機(jī)械手與障礙物之間的距離。GJK算法是一種有效且快速的算法，用于計算2個任意形狀的凸多面體之間的最小距離，如圖3所示。

圖3 GJK算法

考慮2個凸體A和B，在三維空間中，其由矩陣定義的頂點(diǎn)分別為VA∈RnA×3和VB∈RnB×3。nA和nB分別是凸體A和B的頂點(diǎn)數(shù)。這些矩陣的每一行表示相應(yīng)凸體頂點(diǎn)的位置。GJK 算法采用這些矩陣并計算2個凸體的最近頂點(diǎn)之間的最小距離。

(4)

因此，為了使用GJK算法計算距離，如圖4所示，將機(jī)器人不規(guī)則連桿建模為凸形膠囊體。對于障礙物，根據(jù)形狀采用合適的凸形體(長方體、圓柱體、球體等)及其組合進(jìn)行包裹。

3.2 距離因素

考慮到避障阻尼應(yīng)該在障礙物距離較遠(yuǎn)時保持較小值，以保證人類操作者的動作不會受到明顯限制，只有當(dāng)障礙物在一定距離內(nèi)時才達(dá)到較大值，從而使操作者感受到運(yùn)動阻力。因此，有必要設(shè)計一種開關(guān)機(jī)制來實(shí)現(xiàn)這種功能。這在遙操作系統(tǒng)中是個很好的特性，因?yàn)闆]有必要在明顯安全的情況下讓操作者感知到避障帶來的運(yùn)動阻礙感。此外，值得注意的是，不連續(xù)的阻尼會導(dǎo)致人類操作者在操作過程中受到突變斷續(xù)的反饋力，從而導(dǎo)致不舒適的用戶體驗(yàn)。因此，式(3)中的Ddis由式(5)計算：

(5)

式中：KD為阻尼幅值調(diào)節(jié)因子，通過實(shí)驗(yàn)獲得最佳值；d是當(dāng)前從機(jī)器人與障礙物之間的最小距離；ds是阻尼觸覺反饋開始起作用的安全距離，根據(jù)實(shí)際任務(wù)需求進(jìn)行調(diào)整；α為整形因子，用來調(diào)節(jié)阻尼與距離d之間的關(guān)系。

當(dāng)從機(jī)械手與障礙物之間的距離足夠遠(yuǎn)(即碰撞風(fēng)險很小)時，Ddis趨近于0，人類操作者基本感受不到避障阻尼的存在，可以輕松驅(qū)動主手設(shè)備沿任意方向自由運(yùn)動。當(dāng)機(jī)器人小于所設(shè)定的避障安全距離ds時，Ddis逐漸增大。隨著Ddis的增大，人類操作員在操縱主手的過程中所感受到的阻力越來越明顯，從而提醒操作員從機(jī)械手已經(jīng)接近障礙物，應(yīng)降低操縱速度避免碰撞。

3.3 速度因素

除了距離，速度方向也是影響碰撞風(fēng)險的一大因素。為了量化速度方向?qū)ε鲎驳挠绊?，將其轉(zhuǎn)化為距離計算的問題，如圖5所示。

圖5 基于末端速度的運(yùn)動預(yù)測與距離計算

在圖5(a)中，當(dāng)前時刻機(jī)器人末端執(zhí)行器的速度為vs，假設(shè)機(jī)器人在接下來的tp時間內(nèi)都按照該速度的方向運(yùn)動，速度大小設(shè)置為常量vp。則機(jī)器人連桿將在空間中劃出一個復(fù)雜的運(yùn)動曲面，為了量化此末端速度對機(jī)器人的碰撞影響，需要得到預(yù)測過程中機(jī)器人與障礙物的最小距離，即障礙物到該復(fù)雜運(yùn)動曲面的最小距離。然而該問題很難通過解析法直接解出，因?yàn)橐玫皆撉娴臏?zhǔn)確數(shù)學(xué)表達(dá)并不容易。如圖5(b)所示，將預(yù)測時間tp內(nèi)機(jī)器人的運(yùn)動曲面離散化為N個狀態(tài)，利用逆運(yùn)動學(xué)求解，并根據(jù)“最小行程”策略(取2個相鄰運(yùn)動時刻機(jī)器人關(guān)節(jié)角度變化的最小值)選擇得到這N個狀態(tài)下對應(yīng)的關(guān)節(jié)角度，然后求解出每個中間狀態(tài)下機(jī)器人與障礙物的最小距離，從而取N個距離中的最小距離作為預(yù)測時間tp內(nèi)機(jī)器人與障礙物的最小距離，由式(6)計算：

(6)

式中：din是第n狀態(tài)下機(jī)器人m個連桿中第i個連桿與障礙物之間的距離，由GJK算法計算可得；t0表示初始時刻；dt是t時刻機(jī)器人與障礙物之間的最小距離；dmin是預(yù)測時間tp內(nèi)機(jī)器人與障礙物之間的最小距離。

然而，在某些情況下，只通過上述預(yù)測時間內(nèi)的最小距離dmin并不能準(zhǔn)確表達(dá)速度方向?qū)ε鲎驳挠绊?。如圖6所示，為了方便理解，只考慮機(jī)械手末端執(zhí)行器的碰撞，以rp為半徑的圓代表預(yù)測時間內(nèi)末端可到達(dá)的范圍邊界。vs1和vs2代表機(jī)械臂末端執(zhí)行器的2個大小相等、方向不同的速度，且預(yù)測時間tp內(nèi)都會導(dǎo)致機(jī)械臂與障礙物發(fā)生碰撞，即dmin=0。但是，vs1、vs22個速度對碰撞的影響并不相同，vs1會比vs2更早導(dǎo)致碰撞的發(fā)生。因此，為了進(jìn)一步提高預(yù)測的準(zhǔn)確性，對機(jī)器人從當(dāng)前狀態(tài)首次到預(yù)測最小距離狀態(tài)的時間進(jìn)行了計算，為了簡化描述，后面稱之為碰撞時間tc，由式(7)計算：

(7)

圖6 末端以不同速度方向運(yùn)動對碰撞的影響

式中：k(k=1,2,…,N)是預(yù)測周期tp內(nèi)離散狀態(tài)中對應(yīng)于最小距離dmin的第一次的機(jī)器人狀態(tài)的序列號。

建立與速度方向相關(guān)的避障阻尼增益因子λvel，由式(8)計算：

(8)

式中：ωv是增益比例系數(shù)。

當(dāng)機(jī)器人沿著遠(yuǎn)離障礙物的速度方向運(yùn)動時，dmin=dt0=d，λvel=0，則表示當(dāng)前速度方向不會給主手設(shè)備帶來額外的阻尼增益。當(dāng)機(jī)器人沿著接近障礙的速度方向運(yùn)動時，通過預(yù)測周期內(nèi)的最小距離dmin來調(diào)整阻尼增益λvel。為了進(jìn)一步區(qū)分預(yù)測周期內(nèi)不同速度方向?qū)ε鲎诧L(fēng)險的影響(dmin=0)，還在該模型中引入了碰撞時間tc(0≤tc≤tp)，tc減小表示當(dāng)前速度方向的碰撞風(fēng)險不斷增高，λvel逐漸增大，使操作者感受到避障阻尼在不同速度方向上的差異，為操作者提供了早期避障預(yù)警和適當(dāng)?shù)囊龑?dǎo)，從而進(jìn)一步減少了碰撞的發(fā)生，提高遙操作系統(tǒng)的安全性和可靠性。

通過上述分析，得到所提出的避障阻尼模型，式(3)可以進(jìn)一步由式(9)表示：

(9)

4 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

4.1 實(shí)驗(yàn)平臺搭建

為了驗(yàn)證所提出的觸覺反饋方法的有效性，搭建了遙操作機(jī)械手的觸覺反饋實(shí)驗(yàn)平臺。分別采用UR5e協(xié)作機(jī)器人和omega.7力反饋設(shè)備作為遙操作系統(tǒng)的從端和主端。上位機(jī)采用AMD Ryzen 5 5600H with Radeon Graphics(3.30 GHz) CPU和開源機(jī)器人操作系統(tǒng)ROS-Melodic with RT-PREEMPT(Ubuntu18.04×64)，控制回路以500 Hz的頻率運(yùn)行，通過以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)上位機(jī)、主端和從端之間的通信。

4.2 實(shí)驗(yàn)分析

為了模擬遠(yuǎn)程機(jī)械手搬運(yùn)和避障任務(wù)，邀請了5名受試者進(jìn)行遙操作實(shí)驗(yàn)(均沒有遙操作經(jīng)驗(yàn))，受試者被要求操作力反饋主手控制從機(jī)械臂末端執(zhí)行器在避開障礙物的同時搬運(yùn)工件依次到達(dá)3個目標(biāo)位置，每個受試者的路線順序隨機(jī)，如圖7所示。實(shí)驗(yàn)前，通過反復(fù)實(shí)驗(yàn)調(diào)整所提模型中的相關(guān)參數(shù)，以獲得系統(tǒng)的最佳性能。為了簡便，此實(shí)驗(yàn)中，從機(jī)械臂末端執(zhí)行器的姿態(tài)保持不變，障礙物的形狀以及相對從機(jī)械手的位姿已知。

在該實(shí)驗(yàn)中，分別進(jìn)行了2組實(shí)驗(yàn)：第一組只提供給操作者視覺反饋，即操作者只能通過攝像機(jī)提供的畫面感知遠(yuǎn)端環(huán)境；第二組除了視覺反饋外，還通過力反饋主手向操作者提供文中提出的阻尼觸覺反饋。每個受試者需要分別在上述2組實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ较峦瓿梢淮螌?shí)驗(yàn)。在整個實(shí)驗(yàn)過程中，用于評估方案性能的記錄參數(shù)包括碰撞次數(shù)、任務(wù)耗時和主觀工作量。其中：主觀工作量使用NASA任務(wù)負(fù)荷指數(shù)(TLX)[14]進(jìn)行評估(包括6個問題，評分范圍0～100，100表示工作量最大)，以記錄任務(wù)期間感知的身體和精神負(fù)荷。

碰撞次數(shù)結(jié)果如表1所示。可以看出：所提出的觸覺避障方法可以顯著地減少碰撞的發(fā)生，提高遙操作系統(tǒng)的安全性。在表2中，記錄了2個組別每個操作者完成任務(wù)的時間，當(dāng)操作者可以同時利用視覺和觸覺(組別2)時，相比于僅有視覺反饋(組別1)，操作者的平均任務(wù)耗時降低了20%。即所提出的觸覺避障方法在提高遙操作作業(yè)效率上可以發(fā)揮重要作用。NASA-TLX的調(diào)查結(jié)果如圖8、9所示：當(dāng)使用阻尼觸覺反饋時，NASA-TLX的加權(quán)評分平均分明顯減少了47.17%(從59.93降低到31.67)；此外，相較于組別1，組別2每項(xiàng)工作量的平均評分都較低，說明所提出的觸覺方法顯著降低了操作者的工作負(fù)荷。

表1 碰撞次數(shù)

表2 任務(wù)耗時

圖8 NASA-TLX的加權(quán)平均分

圖9 操作人員對每項(xiàng)工作量的平均評分

5 結(jié)論

針對觸覺反饋在主從遙操作機(jī)械手系統(tǒng)避障應(yīng)用中存在的網(wǎng)絡(luò)傳輸時延和準(zhǔn)確性不足等問題，提出了一種新的阻尼觸覺反饋方法，同時考慮了距離和速度因素。根據(jù)距離設(shè)計了一種可實(shí)現(xiàn)觸覺平滑介入的開關(guān)機(jī)制，通過離散化的方法將速度方向?qū)τ谂鲎驳挠绊戅D(zhuǎn)化為距離計算問題進(jìn)行量化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：與僅提供視覺反饋的遙操作相比，該方法提供給操作者的阻尼觸覺反饋可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)端障礙物的準(zhǔn)確碰撞感知，有效提高安全性和作業(yè)效率，并且顯著降低了操作者的工作負(fù)荷。