原創(chuàng) | 文 BFT機(jī)器人

01

摘要

- 該論文探討了機(jī)器人和人類在共享工作空間中的物理人機(jī)交互（pHRI）問題。

- 為了確保機(jī)器人在與人類同事的物理交互中始終能夠完全反應(yīng)附近障礙物和人類同事的運(yùn)動(dòng)，必須采取安全措施。

- 對(duì)于直接的人機(jī)協(xié)作或pHRI應(yīng)用，安全標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于工業(yè)和服務(wù)機(jī)器人都是決定性的。這些安全標(biāo)準(zhǔn)指定了嚴(yán)格的要求，并指導(dǎo)機(jī)器人的機(jī)械設(shè)計(jì)、任務(wù)規(guī)劃和運(yùn)動(dòng)控制，以確保安全的pHRI。

圖1.PHRI概念設(shè)想。機(jī)器人手臂與人類同事在一個(gè)沒有柵欄的、共享的工作空間中執(zhí)行任務(wù)。由于可能發(fā)生不期望的碰撞，機(jī)器人必須配備控制停止，以觸發(fā)其當(dāng)前制動(dòng)距離d，下降到動(dòng)態(tài)評(píng)估的距離闖值以下。標(biāo)量d，，dobst。分別表示距離機(jī)器人附近最接近的人體部位和障礙物的最短距離。

- 技術(shù)規(guī)范（如TS 15066）補(bǔ)充了這些標(biāo)準(zhǔn)，并定義了四種協(xié)作操作的安全模式。例如，與人類頭部的任何接觸都是嚴(yán)格禁止的，TS15066要求通過控制實(shí)現(xiàn)安全評(píng)級(jí)、監(jiān)控停止（SMS）來停止機(jī)器人。這意味著集成的SMS模式必須始終在檢測(cè)到故障事件（例如與障礙物碰撞）或預(yù)測(cè)到人類同事的不安全、協(xié)調(diào)不良的運(yùn)動(dòng)時(shí)停止機(jī)器人。

- 必須集成制動(dòng)觸發(fā)器，并連接額外的跟蹤硬件（如激光雷達(dá)和/或RGB-D相機(jī)）來監(jiān)視共享工作單元。

02

論文內(nèi)容

該論文的研究?jī)?nèi)容是提出了一種框架，用于生成快速、平滑和可預(yù)測(cè)的機(jī)器人制動(dòng)動(dòng)作，以確保機(jī)器人在執(zhí)行任務(wù)時(shí)能夠在安全的范圍內(nèi)停止。

該框架系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)轉(zhuǎn)化為模態(tài)空間表示，使得各個(gè)坐標(biāo)可以獨(dú)立控制。然后，在模態(tài)空間中設(shè)計(jì)制動(dòng)軌跡，并將其轉(zhuǎn)換回原始空間，生成所需的機(jī)器人制動(dòng)動(dòng)作。

該框架不需要使用任何外部硬件或額外的傳感器，只需使用機(jī)器人的關(guān)節(jié)執(zhí)行器和編碼器。在模擬實(shí)驗(yàn)中，該框架實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)確的在線預(yù)測(cè)停止軌跡和距離，這可以用于評(píng)估機(jī)器人和動(dòng)態(tài)障礙物（包括人類）之間的相對(duì)距離。

03

論文的創(chuàng)新點(diǎn)

1.統(tǒng)一框架：該論文提出了一個(gè)統(tǒng)一的框架，將制動(dòng)控制和停止軌跡預(yù)測(cè)結(jié)合在一起。通過在模態(tài)空間中設(shè)計(jì)制動(dòng)軌跡，并考慮執(zhí)行器和關(guān)節(jié)空間約束，實(shí)現(xiàn)了制動(dòng)控制和停止軌跡預(yù)測(cè)的一體化。

圖2所示，制動(dòng)控制和預(yù)測(cè)體系結(jié)構(gòu)

2. 快速制動(dòng)動(dòng)作：該框架能夠生成快速的制動(dòng)動(dòng)作，以確保機(jī)器人能夠在執(zhí)行任務(wù)時(shí)及時(shí)停止。通過在模態(tài)空間中獨(dú)立設(shè)計(jì)平滑的制動(dòng)速度曲線，并將其轉(zhuǎn)換回原始空間，生成所需的機(jī)器人制動(dòng)動(dòng)作。

3. 可預(yù)測(cè)的停止軌跡：該框架能夠在線預(yù)測(cè)機(jī)器人的停止軌跡和距離。這對(duì)于評(píng)估機(jī)器人與動(dòng)態(tài)障礙物（包括人類）之間的相對(duì)距離非常重要，以確保機(jī)器人在執(zhí)行任務(wù)時(shí)能夠在安全的范圍內(nèi)停止。

4. 適用性廣泛：該框架適用于具有任意自由度的各種復(fù)雜機(jī)器人系統(tǒng)。這使得該框架具有可擴(kuò)展性，可以應(yīng)用于不同類型的機(jī)器人系統(tǒng)。

04

研究原理

1.模態(tài)空間表示：首先，將系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)轉(zhuǎn)化為模態(tài)空間表示。通過將系統(tǒng)的狀態(tài)表示為一組獨(dú)立的模態(tài)坐標(biāo)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)每個(gè)坐標(biāo)的獨(dú)立控制。這樣可以更靈活地設(shè)計(jì)制動(dòng)軌跡。

圖3所示，模態(tài)空間的制動(dòng)控制設(shè)計(jì)。(a)在模態(tài)空間中移動(dòng)的質(zhì)量的直觀制動(dòng)轉(zhuǎn)矩方向(對(duì)于n=2)(b)原始空間2和模態(tài)空間中的可行控制力矩Sq.(c)通過縮放獲得相應(yīng)的可行加速區(qū)域(WA和)。區(qū)域9/ra和S/表示保守區(qū)域，其中扭矩/加速度控制輸入保持容許的物理執(zhí)行器的限制。

2. 平滑制動(dòng)軌跡設(shè)計(jì)：在模態(tài)空間中，設(shè)計(jì)平滑的制動(dòng)速度曲線。通過在模態(tài)空間中獨(dú)立設(shè)計(jì)每個(gè)坐標(biāo)的制動(dòng)速度曲線，可以實(shí)現(xiàn)平滑的制動(dòng)動(dòng)作。

3. 制動(dòng)軌跡轉(zhuǎn)換：將設(shè)計(jì)好的模態(tài)制動(dòng)軌跡轉(zhuǎn)換回原始空間。通過將模態(tài)制動(dòng)軌跡轉(zhuǎn)換回原始空間，可以生成所需的機(jī)器人制動(dòng)動(dòng)作。

4. 實(shí)時(shí)計(jì)算：該框架能夠在實(shí)時(shí)計(jì)算中完成所有必要的計(jì)算，包括制動(dòng)控制和停止軌跡預(yù)測(cè)算法。這使得制動(dòng)動(dòng)作可以在每個(gè)控制周期內(nèi)完成。

圖6不同設(shè)置下制動(dòng)方案的制動(dòng)和計(jì)算時(shí)間

5. 兩種制動(dòng)軌跡設(shè)計(jì)方法：該論文提出了兩種制動(dòng)軌跡設(shè)計(jì)方法。第一種方法是實(shí)時(shí)可行的，但相對(duì)保守，考慮了可行的執(zhí)行器控制范圍，導(dǎo)致較長(zhǎng)的制動(dòng)時(shí)間。第二種方法通過優(yōu)化來最大化使用的制動(dòng)控制輸入，但需要更多時(shí)間來評(píng)估更大的可行模態(tài)限制。

圖4所示，使用五次Bezier曲線(右)設(shè)計(jì)的制動(dòng)曲線(左)

圖5機(jī)器人關(guān)節(jié)在不同梯形運(yùn)動(dòng)中以較低(左)和高(右)速度運(yùn)動(dòng)的制動(dòng)設(shè)置。制動(dòng)觸發(fā)時(shí)刻S，i=1，2用紫色垂直線表示，其中上標(biāo)XEfacc，巡航，Dec表示制動(dòng)情景即加速時(shí)(Acc)、巡航(巡航)和減速(Dec)。

05

這個(gè)框架是如何確?？刂茩C(jī)器人的快速和可預(yù)測(cè)的制動(dòng)動(dòng)作的？

這個(gè)框架通過設(shè)計(jì)平滑的制動(dòng)軌跡來實(shí)現(xiàn)控制機(jī)器人的快速和可預(yù)測(cè)的制動(dòng)動(dòng)作。首先，將系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)轉(zhuǎn)化為模態(tài)空間表示，使得各個(gè)坐標(biāo)可以獨(dú)立控制。

然后，在模態(tài)空間中設(shè)計(jì)制動(dòng)軌跡，并將其轉(zhuǎn)換回原始空間，生成所需的機(jī)器人制動(dòng)動(dòng)作。這個(gè)框架不需要使用任何外部硬件或額外的傳感器，只需使用機(jī)器人的關(guān)節(jié)執(zhí)行器和編碼器。

通過在每個(gè)時(shí)間步驟應(yīng)用控制輸入，直到完全停止，實(shí)現(xiàn)了快速和可預(yù)測(cè)的制動(dòng)動(dòng)作。這個(gè)框架的效果在模擬實(shí)驗(yàn)中得到了驗(yàn)證，并在不同的制動(dòng)設(shè)置下實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)確的在線預(yù)測(cè)停止軌跡和距離。

圖8所示。機(jī)器人關(guān)節(jié)制動(dòng)控制力矩(上一行)和由此產(chǎn)生的關(guān)節(jié)速度(下一行與時(shí)間的關(guān)系c.圖5為任務(wù)的參考梯形運(yùn)動(dòng)輪廓)。

06

實(shí)驗(yàn)過程

1. 模型選擇：選擇了一個(gè)具有7個(gè)自由度的Franka Emika Panda機(jī)械臂作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象。該機(jī)械臂由一系列剛體通過旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)連接而成。機(jī)械臂的物理執(zhí)行器和關(guān)節(jié)空間限制可以在Franka Emika的官方網(wǎng)站上找到。

2. 實(shí)驗(yàn)設(shè)置：為了簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)并更好地展示結(jié)果，鎖定了除1、2和4號(hào)關(guān)節(jié)以外的所有關(guān)節(jié)。這樣可以使結(jié)果更清晰可見。

3. 制動(dòng)算法比較：為了比較所提出的制動(dòng)算法與最優(yōu)時(shí)間最小化解的效果，將最優(yōu)制動(dòng)控制問題轉(zhuǎn)化為非線性規(guī)劃，并使用CasADi和Knitro求解器進(jìn)行求解。

4. 制動(dòng)效果評(píng)估：通過在仿真中應(yīng)用所開發(fā)的制動(dòng)控制和預(yù)測(cè)框架，對(duì)移動(dòng)的機(jī)器人進(jìn)行制動(dòng)實(shí)驗(yàn)。通過評(píng)估機(jī)器人的停止軌跡和距離，可以驗(yàn)證所提出的制動(dòng)算法的效果。

07

實(shí)驗(yàn)結(jié)論

在本文中，我們解決了控制機(jī)器人關(guān)節(jié)制動(dòng)的問題，并確保在線和準(zhǔn)確的停止軌跡預(yù)測(cè)。提出了一個(gè)制動(dòng)控制架構(gòu)，通過在模態(tài)空間中獨(dú)立設(shè)計(jì)平滑的制動(dòng)速度曲線，并考慮執(zhí)行器和關(guān)節(jié)空間約束，實(shí)現(xiàn)了制動(dòng)控制和停止軌跡預(yù)測(cè)的統(tǒng)一框架。開發(fā)并集成了兩種在模態(tài)空間中設(shè)計(jì)制動(dòng)動(dòng)作的方法。

在模擬中，我們驗(yàn)證了所提出的方法在一個(gè)具有三個(gè)運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)的實(shí)際7自由度機(jī)器人系統(tǒng)上的有效性。

結(jié)果表明，使用所提出的框架可以實(shí)現(xiàn)平滑且快速的制動(dòng)動(dòng)作，確保機(jī)器人關(guān)節(jié)的可預(yù)測(cè)停止行為。

未來的工作將致力于通過使用更少保守的可行模態(tài)限制進(jìn)一步減少制動(dòng)時(shí)間。這可以通過在每個(gè)象限中分別最大化模態(tài)控制區(qū)域的體積來實(shí)現(xiàn)。

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