面向移乘护理的冗余双臂机器人行为安全控制_李洋.pdf

第 59 卷第 9 期 2023 年 5 月 机 械 工 程 学 报 JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING Vol.59 No.9 May 2023 DOI：10.3901/JME.2023.09.076 面向移乘护理的冗余双臂机器人行为安全控制*李 洋1,2 冯适意1,2 朱德良1,2 郭士杰1,2 宋元昊1,2 田倩倩1,2(1.河北工业大学省部共建电工装备可靠性与智能化国家重点实验室 天津 300130；2.河北省机器人感知与人机融合重点实验室 天津 300130)摘要：人体移乘是劳动强度最大的护理任务之一，因此移乘护理任务的机器人化是护理领域的迫切需求，双臂机器人以其灵活性和多功能化的优势，在护理领域受到广泛关注。不同于传统工业机器人的定位任务，护理任务需要机器人与人体接触，且场景通常为存在障碍的非结构化环境，因此任务过程中人体的安全性和舒适性至关重要。为实现非结构化环境中的人体移乘护理任务，提出轨迹变形算法，使双臂机器人具备规避障碍物及主动柔顺的功能。首先通过人工势场概念设计基于障碍及位姿的排斥函数和吸引函数，将机器人的障碍规避及主动柔顺功能通过人工势场虚拟力及人机交互力的合力描述。以合力下虚拟弹簧-阻尼系统的等效运动作为轨迹偏差，并通过雅可比矩阵将轨迹偏差变换到关节空间，避免冗余机器人的逆运动学求解。仿真结果表明，轨迹变形算法可在实现主动柔顺的同时规避障碍物。最后进行双臂机器人的人体移乘护理实验，验证轨迹变形算法可基于交互力及势场迭代调整轨迹，证明轨迹变形算法可用于非结构化场景中的人体护理任务，对提高人机交互过程中的安全性，进而实现机器人在康复护理领域的推广与应用具有重要意义。关键词：移乘护理；双臂机器人；轨迹变形；主动柔顺；人工势场 中图分类号：TP242 Safety Control of a Redundant Dual-arm Robot for Transfer-care Task LI Yang1,2 FENG Shiyi1,2 ZHU Deliang1,2 GUO Shijie1,2 SONG Yuanhao1,2 TIAN Qianqian1,2(1.State Key Laboratory of Reliability and Intelligence of Electrical Equipment,Hebei University of Technology,Tianjin 300130;2.Hebei Key Laboratory of Robot sensing and Human-robot Interaction,Hebei University of Technology,Tianjin 300130)Abstract：Human transfer task is one of the labor-intensive nursing tasks,so robotization of transfer nursing tasks is an urgent need in the nursing field,and dual-arm robots are gaining attention in the nursing field for their flexibility and versatility.Unlike traditional industrial robots for locating tasks,nursing tasks require physical human-robot interaction,and the scenario is usually an unstructured environment with obstacles,so human safety and comfort during the task are critical.To realize the transfer-care task of the dual-armed robot in an unstructured environment,a Trajectory Deformation Algorithm(TDA)that equip the robot with the functions of obstacle avoidance and active compliance is proposed.Firstly,the repulsive and attractive functions are designed based on the concept of artificial potential field,then the obstacle avoidance and active compliance function be described by the forces of the field and the human-robot interaction forces.Thus,the equivalent motion of the virtual spring-damped system under the forces is considered as the trajectory deviation,and the trajectory deviation is transformed to the joint space by the Jacobi matrix to avoid the inverse kinematic solution of the redundant robot.Simulation results show that the TDA can achieve active compliance and effectively avoid obstacles.Finally,the transfer-care task of dual-arm robot is conducted,which verified that the TDA can adjust the 上海科技计划(21511101701)、河北省重点研发计划(19211817D)和国家自然科学基金青年基金(11902110)资助项目。20220519 收到初稿，20221123收到修改稿 月 2023 年 5 月 李 洋等：面向移乘护理的冗余双臂机器人行为安全控制 77 trajectory in real-time based on interaction forces and obstacle information.The achievements are of great significance to prove the TDA is suitable for nursing-care tasks in unstructured scenes,improve the security during the human-robot interaction,and realize the promotion and application of the robot in the field of rehabilitation nursing.Key words：transfer-care；dual-arm robot；trajectory deformation；active compliance；artificial potential field 0 前言 随着老龄化社会的到来，失能老人的日常护理成为社会和政府普遍关心的热点问题1-2。而移乘护理任务对护理人员造成了严重的体力负担，是制约人体护理的主要因素。因此，护理领域对移乘护理任务的机器人化抱有很高的期待3-4。为了辅助或替代护理人员实现移乘护理任务，研究人员已经研发了多种转移机器人5-8。然而这些转移机器人自重比较大，灵活性较低，仅适用于特定结构化环境；且轨迹调节能力有限，因此无法保障人体的安全性和舒适性9。而随着护理机器人从结构化环境过渡到复杂的护理环境，任务对象由物体过渡到具有感知能力和自主性的人类，任务过程中护理机器人的主动柔顺及障碍规避功能愈发重要。为了解决这些问题，灵活性更高的双臂机器人被应用于护理领域，如 RIBA10和 RoNA11在实现移乘护理任务的同时具备主动柔顺功能。主动柔顺可以根据人体意图调整机器人轨迹，提高交互过程中人体的舒适性。阻抗控制是用于人机交互时最稳定的主动柔顺方法12，可以使机器人顺从的响应人体动作13。如 HAN 等14在无力/扭矩传感器情况下估计交互力，实现双臂机器人的协调柔顺控制。YAN 等15通过阻抗控制实现了双臂机器人对期望轨迹和交互力的精确跟踪。LI 等16通过辨识机械臂的动力学参数，通过阻抗控制实现了机器人的全臂柔顺。因此，阻抗控制在机器人控制中有着广泛应用。对于存在障碍的非结构化环境，改进阻抗控制允许人类引导交互以调整机器人轨迹以实现机器人避障。如 MASONE 等基于触觉信息实时调整四旋翼的期望轨迹参数以避免碰撞17。但机器人充当跟随者时无法完成任务目标，因此协作受到限制18。而机器人的障碍规避同样可通过轨迹变形实 现19(图 1)。如 HAN 等20-21采用随机搜索树通过采用构形空间运动规划方法对避障问题进行数学建模，可以预规划静态空间的避障轨迹，但其无法适用于动态环境。HUANG 等22-23采用了运动学求解法获得避障轨迹的解析解，但其依赖于机械臂的运动学逆解，且无法解决奇异点问题。ABU-DAKKA等24采用遗传算法解决复杂环境下的避障问题，但随机搜索算法不仅耗时长，且解的可行性依赖于初始随机种子的选取。而人工势场法可以在线调整轨迹实现动态障碍物的规避，因此得到广泛应用25-26。但人工势场法通常将控制目标等效为质点，难以应用于复杂的机器人系统，且斥力和引力直接作用于轨迹的速度环，导致加速度阶跃，机器人抖颤等现象，与柔顺控制的目标相悖27-28。图 1 轨迹变形算法示意图 为了实现双臂机器人的行为安全控制，本文基于人工势场概念，提出了一种实现避障及柔顺的轨迹变形算法。首先由排斥函数计算笛卡儿空间中障碍物对机器人斥力，由吸引函数计算目标位姿对机器人的引力，而后引入虚拟弹性-阻尼模型，通过雅可比矩阵将合力下模型的等效运动映射到关节空间，产生连续平滑的轨迹偏差，使机械臂同时具备跟踪预设轨迹及规避障碍的能力。轨迹变形算法将避障轨迹偏差等效为势场作用力下的弹簧-阻尼运动，因此人机交互力可与势场作用力耦合，在机器人避障的同时实现主动柔顺。针对冗余双臂机器人的移乘任务，轨迹变形算法以机器人末端执行器的位姿及距离物体障碍物最近点的位置为控制目标，将势场作用力和人机交互力下弹簧-阻尼系统的运动轨迹等效为轨迹偏差。对于冗余机器人，轨迹变形算法利用其自运动特性，可进一步降低规避障碍物时的位姿误差。仿真和人体的移乘护理试验均表明，机器人的轨迹变形算法兼具障碍规避和主动柔顺功能，可有效提高移乘护理任务过程中的安全性和舒适性。因此轨迹变形算法适用存在障碍的非结构化环境下机器人的人机交互 任务。机 械 工 程 学 报 第 59 卷第 9 期期 78 1 冗余双臂机器人建模 为了实现机器人的轨迹变形算法，首先要对其进行运动学分析，从而建立机器人关节空间与笛卡儿空间之间的映射关系。本文以移乘护理任务为目标，以如图 2 所示的冗余双臂机器人为研究对象。图 2 冗余双臂机器人 冗余双臂机器人由躯干、左臂、右臂构成，躯干包括 2 个旋转关节，左臂和右臂分别由 3 个差动式关节构成。为了简化后续分析，将差动式关节解耦成独立关节。1.1 双臂机器人正运动学 本文采用改进 DH 法建立了机器人运动学模型。任意两关节间的齐次变换矩阵为 1111111111cs0s cc csss sc scc0001iiiiiiiiiiiiiiiii