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赛迪机器人专家小课堂--非接触阻抗控制策略

来源:中国软件评测中心  作者:高冬  投稿时间:2018-10-29

近年来,随着机器人技术与智能化的提高,机器人的应用场景也越来越广泛,无论是工业领域或服务领域,机器人与人交互的场合也越来越多。如何保证机器人与人交互时的作业安全性,成为业内研究的热点,大家通过研究相关算法来保证人机协作安全。其中,非接触阻抗控制策略成为了人机交互领域代表性的算法之一。

阻抗控制作为一种典型的柔顺控制策略,在机器人与人交互领域中被普遍采用。其原理是通过调节机器人系统和外界环境/人类之间的相互作用力/力矩实现柔顺交互兼容。阻抗控制在一定程度上可以使机器人在与人类交互的过程中一定程度上沿人意志发生屈服,即允许其实际轨迹与给定轨迹发生一定程度的偏离。人与机器人接触的过程包括非接触、接触过渡和接触3个部分。

非接触阻抗控制是实现感知交互的关键技术,在智能抓取,机器人抛接协作从而扩大机器人工作范围等领域具有重要意义。所谓非接触阻抗,就是当机械臂与目标尚未接触时就调节机械臂的阻抗以避免过大的冲击和稳定地操作目标。主要是将阻抗控制的理论与机器人视觉控制结合起来。Ami等针对多移动机器人,提出了虚拟阻抗的概念。他们在机器人之间,机器人与目标和障碍间定义了虚拟阻抗。利用虚拟阻抗产生虚拟力实现多机器人的协调控制。Nakabo在虚拟阻抗的基础上提出了视觉阻抗的概念,即将视觉反馈信息与阻抗控制相结合,对机器人末端执行器的阻抗进行控制以完成特定的任务。其原理是首先提取出图像特征,建立一个虚拟接触面,将视觉信息以图像雅各比矩阵的形式应用到阻抗控制公式中,计算与虚拟表面接触时末端执行器应保持的理想阻抗。通过控制系统加以实现。

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图1 非接触阻抗模型原理示意

视觉伺服技术是非接触阻抗控制问题涉及的一项关键技术。视觉伺服,指采用闭环的方式,通过不断地视觉反馈,来控制机器人的运动。这和早期视觉机器人采用开环的先“看”后“动”的方式有着极大的区别。目前提出的一种基于分解速度控制的视觉伺服方案。其实质是运动学水平的视觉反馈控制。这时,只要求图象处理的速度与某一分解的运动学规划速度相当,即可实现该方向上的非接触式阻抗控制。然而,视觉伺服系统在实际应用中应该是系统动力学水平上的反馈伺服系统,有效的动力学伺服反馈有助于机器人保护交互对象及自身的安全,例如如果机器人未能正确识别物体质量,惯性等动力学参数,极有可能匹配错误的阻抗参数,造成截获失败甚至截获对象机器人自身损坏等后果。

在算法研究火热的同时,通过检测认证手段来验证机器人在高效算法控制下的安全性也同样重要。除了物理安全与功能安全之外,由于机器人与人交互的特殊性,机器人协作安全也是其安全性的一项重要指标。通过检测认证手段对机器人进行全面的“安全大检查”,才能保证机器人与人的安全性,从而达到人机协作的理想场景。(通讯员:雷蕾)

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