豐飛 楊海濤 唐麗娜

（1 華中科技大學(xué)無錫研究院，無錫，214000；2江蘇集萃華科智能裝備科技有限公司，無錫，214000；3上海航天設(shè)備制造總廠有限公司，上海，200245）

0 引言

隨著大氣治理帶來的清潔能源的迫切需求，加之核動力航母、潛艇等殺手锏武器對一個國家戰(zhàn)略地位鞏固和國防安全提升與日俱增的重要性，核工業(yè)技術(shù)的發(fā)展一直備受全球各國關(guān)注[1]。而隨著大量核電站到達(dá)退役年限以及人口增長對土地資源的迫切需求，如何實現(xiàn)退役核設(shè)施的再利用成為全球各核工業(yè)大國極度關(guān)注的問題。從上世紀(jì)七八十年代開始，各核國已經(jīng)開始制定核設(shè)施退役治理規(guī)范及措施，開展相關(guān)技術(shù)研究[2]。

在核設(shè)施退役及維護(hù)作業(yè)中，人們需要面對強(qiáng)輻射、高溫和有毒性物質(zhì)的威脅，人參與作業(yè)存在較大風(fēng)險，而且需要進(jìn)行成本高昂的個人防護(hù)[3-4]。因此，目前基于核設(shè)施退役技術(shù)水平的限制，大多國家采用就地掩埋或者劃定隔離區(qū)域的方式進(jìn)行處理。隨著機(jī)器人技術(shù)的快速發(fā)展，在核設(shè)施退役操作中引入機(jī)器人技術(shù)將很大程度降低人類操作者的風(fēng)險，提升核環(huán)境下作業(yè)的效率和可靠性，為核設(shè)施退役及日常維護(hù)提供了更安全可靠的解決方案[5]。

當(dāng)下面對核設(shè)施退役及救援迫切需求的機(jī)器人系統(tǒng)，不僅要處理大量精密的設(shè)備拆除、拆解及搬運(yùn)操作，而且還要面對非結(jié)構(gòu)化環(huán)境下的應(yīng)急及突發(fā)情況處理，這對機(jī)器人的自主操作及智能化程度提出了較高的要求。然而目前機(jī)器人自主操作以及智能化水平較低，面對復(fù)雜、多變、非結(jié)構(gòu)化環(huán)境下的核設(shè)施退役及救援操作，現(xiàn)階段的機(jī)器人自主決策層面的人工智能遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足要求[6-7]。因此，如何將遙操作技術(shù)與機(jī)器人技術(shù)結(jié)合起來，通過Humanin-Loop（人在回路）的人工智能增強(qiáng)型遙操作模式，提升核退役機(jī)器人對應(yīng)急及突發(fā)情況的處理能力，是機(jī)器人技術(shù)滿足當(dāng)下核設(shè)施退役迫切需求的一大挑戰(zhàn)。

目前，獲得工程化應(yīng)用的核工業(yè)遙操作機(jī)器人，大多采用手柄式人機(jī)交互接口的遙操作方式，其匱乏的力反饋及沉浸式臨場感很難滿足核設(shè)施設(shè)備精密拆除的需求[8-9]。另外，遵循核設(shè)施退役拆除的廢物最小化原則，需要核退役機(jī)器人進(jìn)行大量精細(xì)復(fù)雜的操作。在核設(shè)施的非結(jié)構(gòu)化環(huán)境下，復(fù)雜精細(xì)操作對機(jī)器人遙操作系統(tǒng)的實時性和臨場感帶來挑戰(zhàn)，如何消除遙操作時延帶來的不利影響以及提高操作者的臨場感是核退役機(jī)器人遙操作系統(tǒng)的核心問題，而雙邊力反饋控制則是有效解決遙操作系統(tǒng)時延和臨場感問題的有效方法。

雙邊力反饋遙操作可以構(gòu)建穩(wěn)定性、透明性更好的遙操作系統(tǒng)，增強(qiáng)操作者的沉浸式臨場感，更有效地將人類智能與機(jī)器人操作結(jié)合起來，不僅能夠使人遠(yuǎn)離危險作業(yè)區(qū)域，而且可以有效利用人的經(jīng)驗/智慧進(jìn)行決策和判斷，極大提高核退役機(jī)器人應(yīng)對非結(jié)構(gòu)化環(huán)境復(fù)雜作業(yè)及應(yīng)對突發(fā)情況處理的能力。

1 核工業(yè)遙操作機(jī)器人系統(tǒng)發(fā)展

機(jī)械式遙操作機(jī)械臂是面對核設(shè)施維護(hù)需求而誕生的第一代遙操作機(jī)械臂系統(tǒng)，主要用于輻射較強(qiáng)的熱室內(nèi)、15kg左右的載荷操作以及60kg的載荷提升等操作。這種系統(tǒng)主要包括主端機(jī)械臂（指令機(jī)構(gòu)）、穿墻管（密封防護(hù)及動力傳輸）、從端機(jī)械臂三大部分組成[10]，是通用的核工業(yè)遙操作機(jī)械臂系統(tǒng)，如圖1和圖2所示，也是一個革命性的產(chǎn)品，如今已成為核工業(yè)行業(yè)的標(biāo)配。

圖1 MT200主從機(jī)械臂

圖 2 A100主從機(jī)械臂

在機(jī)械式主從機(jī)械臂基礎(chǔ)上，德國W?lischmiller公司和法國Getinge公司相繼開發(fā)了基于人機(jī)交互接口的主從機(jī)械臂系統(tǒng)。

MT200 TAO是從標(biāo)準(zhǔn)的MT200發(fā)展而來的，在MT200上集成了電力傳動和一個遙操作主手。MT200TAO完全采用電機(jī)驅(qū)動和計算機(jī)控制，從而可以為操作者提供完全的反饋信息。該機(jī)械手具有可實現(xiàn)繞主軸360°轉(zhuǎn)動的能力；由于減輕了操作者的疲勞，使其操作可以增效60-65%；同時，通過運(yùn)動精度的提高進(jìn)一步提高效益20%。

此外，遙操作機(jī)械臂系統(tǒng)TERMAN TAO[11-12]，如圖3所示，是基于滾珠絲杠和滾珠花鍵機(jī)械傳動系統(tǒng)的方案。

目前，核工業(yè)用的機(jī)器人主要采用手柄式人機(jī)交互裝置以及Haption、Force Dimension等公司研發(fā)的主端力控手柄，其不僅成本較高，而且不具備良好的人機(jī)交互體驗，多數(shù)是主從異構(gòu)的人機(jī)交互裝置，運(yùn)動映射及力反饋算法復(fù)雜且不直觀。因此，開發(fā)具有良好人機(jī)交互裝置，且能夠?qū)崿F(xiàn)精確運(yùn)動映射和力反饋、實現(xiàn)精準(zhǔn)的人在回路遙操作，是提升空間、核工業(yè)以及深海等極端環(huán)境作業(yè)特種機(jī)器人應(yīng)對非結(jié)構(gòu)化環(huán)境下復(fù)雜多樣作業(yè)任務(wù)，尤其對應(yīng)急突發(fā)事件具備極強(qiáng)的適應(yīng)性的有效和必要手段[13-14]。

圖3 遙操作式主從機(jī)械臂

2 雙協(xié)作機(jī)械臂移動機(jī)器人系統(tǒng)組成

雙邊力反饋遙操作技術(shù)是解決面向極端非結(jié)構(gòu)化環(huán)境作業(yè)的機(jī)器人控制的最有效方式，尤其在人工智能和機(jī)器人自主操作技術(shù)還未成熟的當(dāng)下，是控制機(jī)器人實現(xiàn)非結(jié)構(gòu)化環(huán)境下的精細(xì)作業(yè)以及應(yīng)急突發(fā)情況處理的唯一方式。然而，由于目前的遠(yuǎn)程遙操作系統(tǒng)多采用桌面級的人機(jī)交互裝置，其操作空間和力反饋有限，且主從端運(yùn)動映射和力反饋方法比較復(fù)雜、不直觀，需要采用復(fù)雜的運(yùn)動映射算法才能實現(xiàn)主從端運(yùn)動映射，且從端對主端的運(yùn)動跟隨精度較低、跟隨效果較差。此外，目前大多數(shù)遙操作系統(tǒng)不具備雙邊位姿反饋以及力反饋遙操作，系統(tǒng)透明性較差，操作者的臨場感不強(qiáng)。因此，本文面向雙臂核設(shè)施退役機(jī)器人系統(tǒng)的遙操作需求，開展主端采用雙協(xié)作式機(jī)械臂作為人機(jī)交互接口的遙操作系統(tǒng)開發(fā)以及其雙邊力反饋遙操作控制算法研究。

該雙協(xié)作機(jī)械臂遙操作系統(tǒng)及雙臂核設(shè)施退役機(jī)器人系統(tǒng)的基本組成如圖4所示。

圖4 核退役雙臂遙操作機(jī)器人

本文核心是進(jìn)行雙邊力反饋遙操作人機(jī)交互接口的研制以及雙邊力反饋遙操作控制算法的研究，通過系統(tǒng)研制及相關(guān)算法研究，構(gòu)建“Human-in-Loop”雙臂遙操作控制系統(tǒng)。即：通過操作主端的兩個協(xié)作機(jī)械臂來控制從端機(jī)器人的雙臂運(yùn)動，協(xié)作機(jī)械臂還能將從端機(jī)器人的雙臂所受到的力反饋給操作人員，兩邊交換位姿以及力和力矩的數(shù)據(jù)。雙協(xié)作機(jī)械臂作為主端人機(jī)交互接口的引入不僅增強(qiáng)了操作者的臨場感，也簡化了主從端運(yùn)動和感知的映射方法。該遙操作系統(tǒng)可實現(xiàn)從端雙臂機(jī)器人系統(tǒng)對操作者指令的精確復(fù)現(xiàn)，并將從端雙臂機(jī)器人系統(tǒng)與環(huán)境接觸狀態(tài)通過主端人機(jī)交互接口精確反饋給主端操作者，從而增強(qiáng)遙操作者的沉浸式臨場感，完成核設(shè)施退役拆除中的精細(xì)操作，以及對突發(fā)應(yīng)急情況的可靠、有效的處理。核退役雙臂機(jī)器人雙邊力反饋遙操作系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖5所示。

圖5 核退役雙臂遙操作機(jī)器人遙操作架構(gòu)圖

圖6 雙協(xié)作機(jī)械臂遙操作主端研究方法

目前，雙臂移動機(jī)器人雙邊力反饋遙操作系統(tǒng)在機(jī)器人領(lǐng)域研究及應(yīng)用較少，主要集中在國外幾家機(jī)器人研發(fā)機(jī)構(gòu)，國內(nèi)相關(guān)研究目前未調(diào)研到相關(guān)技術(shù)研究現(xiàn)狀。因此，本項目通過移動機(jī)器人雙臂力反饋遙操作系統(tǒng)的總體構(gòu)建，基于擬人協(xié)作輕型機(jī)械臂系統(tǒng)研制雙臂人機(jī)交互接口，開展雙臂雙邊力反饋遙操作控制技術(shù)研究，并在正在開展的工信部科工局項目中進(jìn)行實驗驗證，從而優(yōu)化雙臂遙操作系統(tǒng)構(gòu)型以及雙臂力反饋遙操作算法，力爭在核工業(yè)機(jī)器人、醫(yī)療機(jī)器人、空間機(jī)器人等極端環(huán)境作業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域獲得應(yīng)用推廣，提升遙操作技術(shù)的沉浸式臨場感及力反饋技術(shù)水平。

此外，為了擴(kuò)展機(jī)械臂的功能，以滿足復(fù)雜環(huán)境下的多種作業(yè)任務(wù)需求，該機(jī)器人末端搭載末端快換工具，通過末端工具快換裝置實現(xiàn)不同作業(yè)需求的末端工具更換。末端工具的快換模式如圖6所示。

3 基于雙協(xié)作機(jī)械臂的雙臂移動機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計

3.1 協(xié)作機(jī)械臂遙操作人機(jī)交互裝置構(gòu)型及柔性模塊化關(guān)節(jié)

如圖7所示，本文通過分析人體上肢運(yùn)動學(xué)特性，獲取人體上肢可達(dá)范圍以及各關(guān)節(jié)運(yùn)動范圍，建立人體上肢運(yùn)動學(xué)模型，完成擬人協(xié)作機(jī)械臂的各關(guān)節(jié)運(yùn)動學(xué)參數(shù)設(shè)計，并按擬人協(xié)作機(jī)械臂構(gòu)型及自由度布局設(shè)計，建立其運(yùn)動學(xué)模型。

其次，基于人體上肢運(yùn)動學(xué)模型及協(xié)作機(jī)械臂運(yùn)動模型，分析兩者的運(yùn)動空間及可達(dá)區(qū)域，并根據(jù)操作者與雙協(xié)作機(jī)械臂遙操作接口裝置相結(jié)合的方式，優(yōu)化協(xié)作機(jī)械臂構(gòu)型及自由度布局，實現(xiàn)雙協(xié)作機(jī)械臂與人體雙臂運(yùn)動范圍及運(yùn)動學(xué)特性的高度近似，提升操作者與雙協(xié)作機(jī)械臂結(jié)合的“本體感”感受。

圖7 雙協(xié)作機(jī)械臂遙操作主端研究方法

再者，以良好的人機(jī)交互為目的，研制具有良好力矩反饋和交互的集成位置傳感器和關(guān)節(jié)力矩傳感器的柔性關(guān)節(jié)，以模塊化設(shè)計思想出發(fā)，開發(fā)協(xié)作機(jī)械臂柔性關(guān)節(jié)。通過可變剛度變動柔順的方式提升人機(jī)交互的柔順性及安全性。

圖8 雙協(xié)作機(jī)械臂柔性關(guān)節(jié)構(gòu)成

圖9 主從同構(gòu)型遙操作雙臂移動機(jī)器人系統(tǒng)

此外，本文創(chuàng)造性地提出了將可變剛度彈性體與關(guān)節(jié)力矩彈性體進(jìn)行一體化設(shè)計的思想，即可實現(xiàn)關(guān)節(jié)力矩的檢測，也可通過剛度調(diào)整模塊實現(xiàn)關(guān)節(jié)剛度調(diào)整，從而針對不同身體素質(zhì)和力量強(qiáng)度的遙操作者，輔助以柔順控制器軟件的剛度調(diào)整，提供更加柔順和親和力較強(qiáng)的人機(jī)交互體驗。集成力反饋、位置檢測的模塊化柔性關(guān)節(jié)如圖8所示。為了進(jìn)一步提升人機(jī)交互的直觀性和運(yùn)動映射的準(zhǔn)確性和真實性，基于設(shè)計的柔性關(guān)節(jié)，可開發(fā)具有主從機(jī)械臂構(gòu)型完全一致的雙臂遙操作機(jī)器人系統(tǒng)，如圖9所示。

3.2 基于主動柔順的人機(jī)接口機(jī)械臂隨動控制及主從運(yùn)動映射算法

雙協(xié)作機(jī)械臂作為主端人機(jī)交互接口裝置的遙操作系統(tǒng)，采用7自由度擬人的機(jī)械臂構(gòu)型，具有主從端運(yùn)動映射及力反饋的功能。

主從端運(yùn)動映射實現(xiàn)方式如下：協(xié)作機(jī)械臂采用示教拖動形式的導(dǎo)納與阻抗控制相結(jié)合的主動柔順控制，當(dāng)操作者操作協(xié)作式主端機(jī)械臂的末端時，其可順應(yīng)地跟隨操作者的意圖運(yùn)動。同時，采用各關(guān)節(jié)位置傳感器實現(xiàn)關(guān)節(jié)運(yùn)動軌跡的檢測，并通過主端協(xié)作式遙操作機(jī)械臂與從端作業(yè)機(jī)械臂的運(yùn)動學(xué)模型及運(yùn)動特性分析，建立兩者的運(yùn)動映射關(guān)系，實現(xiàn)基于主動柔順跟隨的主從端運(yùn)動映射。此外，采用運(yùn)動學(xué)動態(tài)標(biāo)定方法對主從端運(yùn)動進(jìn)行動態(tài)標(biāo)定，進(jìn)一步提升主從端運(yùn)動映射算法的準(zhǔn)確性。

主從端力反饋實現(xiàn)方式：從端機(jī)器人末端與環(huán)境的接觸力可采用腕關(guān)節(jié)六維力矩傳感器直接測量，或者采用各關(guān)節(jié)力矩傳感器以及各關(guān)節(jié)電機(jī)電流檢測，通過機(jī)械臂動力學(xué)模型建立關(guān)節(jié)扭矩與末端接觸力的轉(zhuǎn)換算法進(jìn)行表征。核工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)的作業(yè)環(huán)境因為存在強(qiáng)輻射、強(qiáng)腐蝕、高溫變等特性，對直接力矩檢測的精度和可靠性影響較大，因此，本文采用關(guān)節(jié)電機(jī)電流檢測及電流環(huán)控制的方式，通過機(jī)械臂關(guān)節(jié)電機(jī)電流與關(guān)節(jié)輸出扭矩的動態(tài)標(biāo)定，建立關(guān)節(jié)輸出扭矩與電流的數(shù)學(xué)模型；結(jié)合機(jī)械臂動力學(xué)模型，建立機(jī)械臂末端接觸力與關(guān)節(jié)扭矩數(shù)學(xué)模型，從而進(jìn)行機(jī)械臂接觸力的無力矩傳感器檢測，實現(xiàn)從端機(jī)械臂末端作用力的間接檢測，滿足從端機(jī)械臂人機(jī)交互力反饋要求。

基于雙協(xié)作機(jī)械臂的雙邊力反饋遙操作的雙臂移動機(jī)器人遙操作如圖10所示。

3.3 基于三維模型/力反饋的主端人機(jī)交互碰撞規(guī)避與安全交互策略

圖10 基于雙協(xié)作機(jī)械臂的雙臂核退役機(jī)器人遙操作控制方法

遙操作者通過操作主端人機(jī)交互接口裝置的雙協(xié)作機(jī)械臂實現(xiàn)與從端的運(yùn)動映射及力反饋，故操作者與雙協(xié)作機(jī)械臂人機(jī)交互接口之間存在接觸與碰撞。為提升“人在回路”操作者的安全性及良好的人機(jī)交互體驗，需要建立碰撞檢測方法及碰撞規(guī)避機(jī)制。

基于主端人機(jī)交互接口雙協(xié)作機(jī)械臂的數(shù)學(xué)模型，通過三維模型預(yù)處理，構(gòu)建協(xié)作機(jī)械臂的外形包絡(luò)模型，同時基于操作者的身高和體重等數(shù)據(jù)輸入構(gòu)建數(shù)字人模型，從而通過操作者與雙協(xié)作機(jī)械臂的交互方式，完成系統(tǒng)建模，并通過機(jī)械臂的運(yùn)動學(xué)模型，實時協(xié)作機(jī)械臂與操作者的三維模型刷新。同時，基于雙目視覺三維重構(gòu)，對基于運(yùn)動學(xué)生成的模型進(jìn)行校正，得到更準(zhǔn)確真實的主端雙協(xié)作機(jī)械臂與操作者的三維模型。然后，再根據(jù)三維模型干涉檢測算法，判斷協(xié)作機(jī)械臂三維模型與操作者三維模型在空間中是否有交集，以達(dá)到碰撞檢測的目的；基于此，可依據(jù)運(yùn)動學(xué)模型對碰撞進(jìn)行預(yù)測，從而實現(xiàn)碰撞規(guī)避，進(jìn)一步提升操作的安全。

主端操作者與雙協(xié)作機(jī)械臂之間的碰撞檢測、規(guī)避與人機(jī)交互安全策略如圖11所示。

此外，為進(jìn)一步保證操作者人機(jī)交互的安全性，采用基于關(guān)節(jié)電機(jī)電流與力矩檢測的方式實現(xiàn)操作者與雙協(xié)作機(jī)械臂之間的碰撞檢測。該方法通過關(guān)節(jié)扭矩的直接檢測以及關(guān)節(jié)電機(jī)電流的檢測，對碰撞發(fā)生的強(qiáng)度和位置進(jìn)行測量，并通多主動柔順控制算法實現(xiàn)碰撞的快速規(guī)避，降低機(jī)械臂與人體接觸力的大小。

3.4 人在回路的雙臂力反饋遙操作控制方法

本文基于課題擬研制的雙協(xié)作機(jī)械臂作為主端人機(jī)交互接口裝置的雙邊力反饋遙操作系統(tǒng)，結(jié)合正在研制的核退役雙臂機(jī)器人系統(tǒng)，構(gòu)建核退役雙邊力反饋總體遙操作控制框架，開展面向典型核退役作業(yè)的雙邊力反饋遙操作試驗驗證。

圖11 雙協(xié)作機(jī)械臂遙操作主端碰撞檢測與規(guī)避研究方法

圖12 基于主端雙協(xié)作機(jī)械臂的雙臂遙操作實驗驗證方法

在從端有關(guān)節(jié)力矩傳感器或者末端六維力矩傳感器的前提下，本文開展主從雙邊力反饋遙操作控制實驗研究，并在獲取從端機(jī)械臂動力學(xué)特性的基礎(chǔ)上，逐漸建立基于從端機(jī)械臂關(guān)節(jié)電流測量的環(huán)境接觸力反饋，實現(xiàn)從端無力矩傳感器力反饋遙操作，消除從端力反饋對力矩傳感器的依賴，降低從端機(jī)械臂的電子學(xué)系統(tǒng)的耐輻照等級要求，提升系統(tǒng)可靠性。

4 結(jié)語

面向核設(shè)施的日常運(yùn)維檢測以及退役源項調(diào)查、拆除作業(yè)等機(jī)器人系統(tǒng)，通常需要面對非結(jié)構(gòu)化環(huán)境以及復(fù)雜的作業(yè)任務(wù)需求，尤其需要應(yīng)對應(yīng)急事故或者突發(fā)情況。因此，此類機(jī)器人對機(jī)器人的智能性、自主化程度要求較高，而現(xiàn)有的機(jī)器人智能感知及智能控制等技術(shù)還不足以使機(jī)器人具備智能性以及自主性。因此，本文開展具有良好人機(jī)交互、能夠?qū)崿F(xiàn)雙邊力反饋的沉浸式臨場感遙操作系統(tǒng)研究，建立人在回路的遙操作機(jī)器人系統(tǒng)，將操作者的智能和經(jīng)驗通過人機(jī)交互接口引入到極端環(huán)境作業(yè)特種機(jī)器人系統(tǒng)中，通過精確的運(yùn)動映射算法和力反饋算法，全面提升機(jī)器人在復(fù)雜非結(jié)構(gòu)化環(huán)境下處理復(fù)雜多樣的作業(yè)任務(wù)的效率和質(zhì)量，推動核工業(yè)機(jī)器人技術(shù)及核工業(yè)作業(yè)技術(shù)向著智能化、機(jī)器人化和自動化邁進(jìn)。