楊沁林, 張 勁

(1. 四川大學(xué)電氣工程學(xué)院, 成都 610065;2. 四川大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院, 成都 610065)

1 引 言

醫(yī)護(hù)人員短缺已成為全球醫(yī)療行業(yè)共同面臨的嚴(yán)峻問(wèn)題[1]，在此情況下,因?yàn)闄C(jī)械臂具有工作時(shí)間長(zhǎng)，工作性能穩(wěn)定，對(duì)疫情免疫等優(yōu)勢(shì)，所以使用機(jī)械臂代替醫(yī)護(hù)人員完成常見(jiàn)的，重復(fù)性高的醫(yī)護(hù)工作，可以在很大程度上減少醫(yī)護(hù)人員的工作強(qiáng)度以及感染傳染性疾病的風(fēng)險(xiǎn).為此研究設(shè)計(jì)具有醫(yī)護(hù)能力的機(jī)器人受到了研究人員的廣泛關(guān)注.Jayaswal等[2]在疫情期間設(shè)計(jì)了魯棒柔性機(jī)械臂控制方法，并對(duì)該方法進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證.Ahamed等[3]設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)可提醒患者或老年人及時(shí)服藥，并在患者需要的時(shí)候隨時(shí)提供飲用水的移動(dòng)機(jī)器人.

機(jī)械臂在醫(yī)護(hù)過(guò)程中涉及與患者的交互，例如當(dāng)機(jī)械臂在進(jìn)行護(hù)理過(guò)程中，機(jī)械臂末端執(zhí)行器停留在患者附近時(shí)，患者可以根據(jù)個(gè)人需要，將機(jī)械臂末端執(zhí)行器推離或拉近.在實(shí)際設(shè)置實(shí)驗(yàn)裝置之前，需要依據(jù)文獻(xiàn)[4]才能保證機(jī)械臂的控制過(guò)程涉及人機(jī)交互任務(wù).文獻(xiàn)[5-9]將機(jī)械臂末端在任務(wù)空間中的目標(biāo)移動(dòng)路徑設(shè)置為一系列的點(diǎn)，其中所提出的控制方案均能較好實(shí)現(xiàn)目標(biāo)軌跡的跟蹤任務(wù)，但是在涉及機(jī)械臂操作過(guò)程中存在人機(jī)交互協(xié)作的情況，將機(jī)械臂末端的目標(biāo)設(shè)置為一個(gè)區(qū)域更加合理，并且機(jī)械臂末端在目標(biāo)區(qū)域內(nèi)表現(xiàn)出柔順性，以確保人機(jī)交互過(guò)程的安全，順利.

在護(hù)理病房?jī)?nèi)，因?yàn)闄C(jī)械臂執(zhí)行護(hù)理任務(wù)的特殊性，需要保證在護(hù)理過(guò)程中患者的安全，防止機(jī)械臂末端執(zhí)行器誤觸患者重要部位，以及防止誤觸醫(yī)護(hù)用品，避免在護(hù)理過(guò)程中發(fā)生醫(yī)療事故，所以機(jī)械臂末端在跟隨目標(biāo)區(qū)域移動(dòng)過(guò)程中，需要規(guī)避患者及醫(yī)護(hù)用品等障礙物.文獻(xiàn)[10]提出了雙向時(shí)效A*算法，提高了A*算法在規(guī)避障礙物過(guò)程中的執(zhí)行效率，但每次迭代的路徑選取未考慮障礙的位置，易陷入障礙密集區(qū)域;文獻(xiàn)[11]使用RRT(Rapidly Exploring Random Tree)算法，提出了一種基子目標(biāo)搜索策略，該算法主要是針對(duì)二維平面上的路徑規(guī)劃及避障，對(duì)于三維空間路徑規(guī)劃該算法搜索緩慢;文獻(xiàn)[12]運(yùn)用向量場(chǎng)直方圖方法VFH(Vector Field Histogram)，提出一種波谷寬度計(jì)算方法，使得逼近目標(biāo)位置過(guò)程中軌跡更加平滑.因?yàn)槿斯?shì)場(chǎng)法規(guī)避障礙物具有結(jié)構(gòu)清晰，運(yùn)算量小的優(yōu)點(diǎn)，由此引入人工勢(shì)場(chǎng)[13].在人工勢(shì)能場(chǎng)中包括兩種勢(shì)場(chǎng)：引力勢(shì)能場(chǎng)和斥力勢(shì)能場(chǎng).利用人工勢(shì)場(chǎng)規(guī)避障礙物也被廣泛使用在無(wú)人機(jī)[14]、車輛[15]和船舶[15]等領(lǐng)域.在本文中，引力勢(shì)能場(chǎng)作用在機(jī)械臂末端執(zhí)行器，起到引導(dǎo)機(jī)械臂末端執(zhí)行器實(shí)現(xiàn)目標(biāo)區(qū)域跟蹤的作用，斥力勢(shì)能場(chǎng)同樣作用在機(jī)械臂末端執(zhí)行器，起到規(guī)避障礙物的作用.

本文提出了一種機(jī)械臂目標(biāo)區(qū)域跟蹤防撞控制器；實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂末端執(zhí)行器在跟蹤目標(biāo)區(qū)域過(guò)程中規(guī)避障礙物，并在目標(biāo)區(qū)域內(nèi)具有柔順的人機(jī)交互性能；借鑒船舶領(lǐng)域的最近會(huì)遇距離和最小會(huì)遇時(shí)間，提出了一種機(jī)械臂碰撞預(yù)測(cè)模型；通過(guò)機(jī)械臂與障礙物的實(shí)時(shí)狀態(tài)，得到防撞安全指數(shù)；將障礙物作用半徑與防撞安全指數(shù)相聯(lián)系，以此改變障礙物作用半徑，實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂在跟蹤目標(biāo)區(qū)域的同時(shí)，規(guī)避障礙物，保護(hù)患者，提高了醫(yī)護(hù)機(jī)械臂的安全性.

2 問(wèn)題描述

2.1 機(jī)械臂動(dòng)力學(xué)模型

根據(jù)拉格朗日定理，機(jī)械臂在關(guān)節(jié)空間的動(dòng)力學(xué)模型可以表示為

(1)

其中q∈n表示n自由度機(jī)械臂的廣義關(guān)節(jié)角坐標(biāo)向量；M(q)∈n×n為對(duì)稱正定慣性矩陣；n×n為哥氏力與離心力矩陣；g(q)∈n為重力項(xiàng)；τ∈n表示控制輸出力矩.

設(shè)x∈n表示機(jī)械臂末端執(zhí)行器在任務(wù)空間中的位置向量

x=h(q)

(2)

其中h(·)表示從關(guān)節(jié)空間的關(guān)節(jié)角度q映射到任務(wù)空間末端執(zhí)行器位置x的正向運(yùn)動(dòng)學(xué)變化矩陣.對(duì)式(2)兩邊同時(shí)求導(dǎo)，可得

(3)

(4)

結(jié)合關(guān)節(jié)空間動(dòng)力學(xué)模型式(1)和文獻(xiàn)[16]，可以推導(dǎo)出任務(wù)空間動(dòng)力學(xué)模型為

(5)

其中

Mx(x)=J-T(q)M(q)J-1(q)

J-T(q)M(q)J-1(q))J-1(q)

g(x)=J-T(q)g(q)

F=J-T(q)τ

(6)

在本文中，因?yàn)閷?shí)現(xiàn)控制任務(wù)都指定在任務(wù)空間中進(jìn)行，所以將關(guān)節(jié)空間轉(zhuǎn)換為任務(wù)空間，在任務(wù)空間中設(shè)計(jì)控制器更加方便，合理.

2.2 控制目標(biāo)

本文的控制目標(biāo)為：設(shè)計(jì)一種基于機(jī)械臂目標(biāo)區(qū)域跟蹤防撞控制器，將機(jī)械臂末端執(zhí)行器的位置收斂到目標(biāo)區(qū)域并對(duì)移動(dòng)的目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行跟蹤，在目標(biāo)區(qū)域跟蹤過(guò)程中防止碰撞障礙物.障礙物中心定義為點(diǎn)xob∈3，障礙物作用半徑為λ0，選擇運(yùn)動(dòng)目標(biāo)區(qū)域Τ為球形，其中心定義為點(diǎn)x0∈3，半徑定義為r0.并且假設(shè)目標(biāo)區(qū)域中心點(diǎn)x0的軌跡為二階可導(dǎo).

3 控制器設(shè)計(jì)

3.1 人工勢(shì)能場(chǎng)

人工勢(shì)能場(chǎng)是由引力勢(shì)能場(chǎng)和斥力勢(shì)能場(chǎng)共同組成.機(jī)械臂末端會(huì)受到目標(biāo)區(qū)域的引力作用，同時(shí)也會(huì)受到障礙物的斥力作用.機(jī)械臂會(huì)在引力和斥力的共同作用下，規(guī)避障礙物向目標(biāo)區(qū)域移動(dòng).

在三維空間中，目標(biāo)區(qū)域?qū)⑹褂靡粋€(gè)集合表示

(7)

其中Δx=x-x0,x0是目標(biāo)區(qū)域的中心；f(Δx):3→為目標(biāo)函數(shù).目標(biāo)函數(shù)關(guān)于Δx連續(xù)，且可微.f(Δx)的一階偏導(dǎo)數(shù)?f(Δx)/?Δx和二階偏導(dǎo)數(shù)?2f(Δx)/?2Δx有界.定義引力勢(shì)能函數(shù)，斥力勢(shì)能函數(shù)分別表示為[17]

(8)

(9)

其中c為引力增益常量；η為斥力增益常量；λ0為障礙物作用半徑；λ為機(jī)械臂末端執(zhí)行器位置x到障礙物中心x0的距離λ=|xobx|；m為大于0的常數(shù).機(jī)械臂勢(shì)能函數(shù)為

(10)

勢(shì)能函數(shù)P(Δx)關(guān)于Δx求偏導(dǎo)數(shù)表示為

(11)

其中：

其中?Uat(Δx)/?Δx為引力勢(shì)能對(duì)Δx求偏導(dǎo)，方向?yàn)閺臋C(jī)械臂末端指向目標(biāo)區(qū)域中心，將機(jī)械臂末端引導(dǎo)到目標(biāo)區(qū)域.斥力勢(shì)能對(duì)Δx求偏導(dǎo)由兩部分組成，其中?Ure1(Δx)/?Δx的方向?yàn)檎系K物指向機(jī)械臂末端，作用為將機(jī)械臂末端引導(dǎo)到障礙物作用范圍以外，?Ure2(Δx)/?Δx的方向?yàn)閺臋C(jī)械臂末端指向目標(biāo)點(diǎn)，引導(dǎo)機(jī)械臂末端收斂到目標(biāo)區(qū)域，其表達(dá)式分別為

(12)

當(dāng)機(jī)械臂末端位于目標(biāo)區(qū)域外，或在障礙物附近時(shí)，?P(Δx)/?Δx將會(huì)驅(qū)使機(jī)械臂末端離開(kāi)障礙物作用范圍，向目標(biāo)區(qū)域f(Δx)≤0的區(qū)域移動(dòng)，當(dāng)機(jī)械臂末端位置在目標(biāo)區(qū)域內(nèi)，且不在障礙物附近時(shí)，f(Δx)≤0，?P(Δx)/?Δx=0.

3.2 碰撞預(yù)測(cè)模型

在使用斥力場(chǎng)規(guī)避障礙物的過(guò)程中，障礙物的作用范圍λ0為主要參數(shù).通常λ0為固定值，λ0設(shè)置過(guò)大造成機(jī)械臂避障效率降低，λ0設(shè)置過(guò)小造成規(guī)避不及時(shí)，存在碰撞危險(xiǎn).由此，本文提出一種機(jī)械臂的碰撞預(yù)測(cè)模型.碰撞預(yù)測(cè)模型已在船舶導(dǎo)航[18]，自動(dòng)駕駛汽車[19,20]等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，本文借鑒船舶領(lǐng)域中最近會(huì)遇距離DCPA(Distance of Closest Point of Approach)與最小會(huì)遇時(shí)間TCPA(Time of Closest Point of Approach)概念[21]，通過(guò)對(duì)發(fā)生碰撞在空間和時(shí)間上的危險(xiǎn)度分別進(jìn)行分析，得到空間防撞安全度與時(shí)間防撞安全度，通過(guò)對(duì)兩個(gè)安全度的聯(lián)立計(jì)算得到防撞安全指數(shù)，并由防撞安全指數(shù)確定障礙物作用范圍.

圖1 機(jī)械臂與障礙物會(huì)遇示意圖

DCPA=λsin (αT)

(13)

(14)

其中λ=|xobx|為機(jī)械臂末端點(diǎn)到障礙物中心的距離，αT∈(0，π)為機(jī)械臂末端點(diǎn)速度方向與機(jī)械臂末端點(diǎn)到障礙物中心連線夾角.

首先設(shè)空間防撞安全度udT定義為

(15)

其中k為正常數(shù).設(shè)d1為最小避讓距離，d2為機(jī)械臂安全避讓距離取d2=2d1.最小避讓距離d1的確定，當(dāng)機(jī)械臂末端安裝執(zhí)行器，末端執(zhí)行器側(cè)邊面對(duì)障礙物中心時(shí)，存在碰撞危險(xiǎn)，設(shè)機(jī)械臂末端執(zhí)行器長(zhǎng)度為L(zhǎng)end=0.1 m，將d1設(shè)置為d1=1.5Lend，以此保證末端執(zhí)行器在規(guī)避障礙物過(guò)程中不會(huì)觸碰障礙物.

在機(jī)械臂末端與障礙物有碰撞可能的情況下，時(shí)間防撞安全度utT定義為

(16)

其中t1和t2分別表示為

式中，t1表示機(jī)械臂末端速度方向上距離障礙物為d1的位置，達(dá)到最近會(huì)與點(diǎn)的時(shí)間；t2表示機(jī)械臂末端速度方向上距離障礙物為d2的位置，達(dá)到最近會(huì)與點(diǎn)的時(shí)間.

由式(15)和式(16)分別得到空間防撞安全度udT與時(shí)間防撞安全度utT后，防撞安全指數(shù)uT，由utT和udT量化為

(17)

將機(jī)械臂末端與障礙物的狀態(tài)信息代入碰撞預(yù)測(cè)模型中，得到防撞安全指數(shù)，根據(jù)以下公式確定障礙物作用范圍λ0.

(18)

式中，μ>1，由此可得到隨著空間防撞安全度與時(shí)間防撞安全度變化的障礙物作用范圍.

3.3 區(qū)域跟蹤防撞控制器設(shè)計(jì)

本文中在任務(wù)空間的區(qū)域跟蹤防撞控制器設(shè)計(jì)為

(19)

(20)

假設(shè)Lyapunov-like泛函數(shù)被設(shè)置為

(21)

其中P(Δx)在式(10)中被定義，V為正定，對(duì)式(21)兩邊求導(dǎo)得

(22)

將(20)代入(22)中，得到

(23)

證明 為了證明以上定理，先證明

(24)

由于dV/dt為負(fù)，V對(duì)t是遞減的，可設(shè)

(25)

如果ε≠0,則對(duì)于任意t≥t0有，又由V連續(xù)，正定，并且在平衡點(diǎn)處t=t0時(shí)，V=0，z2=0，P(Δx)=0，故存在λ1>0或λ2>0， 使得‖z2‖>λ1或P(Δx)>λ2，所以如果取：

(26)

由dV/dt為負(fù)定，故m<0，于是

(27)

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

本文通過(guò)數(shù)值仿真以及實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的目標(biāo)區(qū)域跟蹤防撞控制器的有效性.本文實(shí)驗(yàn)過(guò)程使用UR10機(jī)械臂.UR10有6個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，負(fù)載能力為10 kg，操作范圍1300 mm.因?yàn)樵卺t(yī)療護(hù)理機(jī)械臂工作過(guò)程中，完成任務(wù)空間中的目標(biāo)區(qū)域跟蹤，使用前3個(gè)關(guān)節(jié)即可實(shí)現(xiàn)，后3個(gè)關(guān)節(jié)被視作一個(gè)整體，醫(yī)護(hù)人員在機(jī)械臂末端進(jìn)入目標(biāo)區(qū)域后單獨(dú)控制，完成更加具體的醫(yī)護(hù)工作.在本文中，仿真及實(shí)驗(yàn)通過(guò)控制前3個(gè)關(guān)節(jié)角，實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂末端的在任務(wù)空間的位置控制，后3個(gè)關(guān)節(jié)作為末端執(zhí)行器看作一個(gè)整體，并將關(guān)節(jié)角均設(shè)置為固定值.基于UR10機(jī)械臂建立動(dòng)力學(xué)模型，UR10各關(guān)節(jié)坐標(biāo)系如圖2所示，機(jī)械臂DH參數(shù)如表1所示，前3個(gè)連桿的質(zhì)量如表2所示.

圖2 UR10各關(guān)節(jié)坐標(biāo)Fig.2 Coordinates for each joint of the UR10

表1 UR10DH參數(shù)

表2 UR10物理參數(shù)

4.1 仿真跟蹤移動(dòng)目標(biāo)區(qū)域

首先使用Matlab2020a數(shù)值仿真對(duì)目標(biāo)區(qū)域跟蹤防撞控制器的有效性進(jìn)行驗(yàn)證.采用時(shí)間步長(zhǎng)0.005 s的固定步長(zhǎng)ODE4 (RungeKutta)求解器.仿真過(guò)程中，各參數(shù)設(shè)置為μ=1.1，k=1，kα=1，kν=3，c=5，m=1.05，η=0.1.機(jī)械臂前3個(gè)關(guān)節(jié)初始角度分別設(shè)置為：[2.37,-π/3,π/3]Trad，后3個(gè)關(guān)節(jié)的角度保持為固定值[0,-π/3,0]Trad.控制目標(biāo)為UR10機(jī)器臂的末端執(zhí)行器跟蹤運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)區(qū)域，該區(qū)域定義為一個(gè)半徑為r0=0.1 m的球體.目標(biāo)區(qū)域中心x0沿著期望軌跡運(yùn)動(dòng).

x0=[0.3cos(0.05t)，-0.8+0.3sin(0.05)t，0.2]

機(jī)械臂末端執(zhí)行器軌跡三維及二維視圖如圖3和圖4所示，機(jī)械臂末端執(zhí)行器收斂到目標(biāo)區(qū)域后，跟隨目標(biāo)區(qū)域移動(dòng).

圖4 移動(dòng)區(qū)域軌跡跟蹤: UR10:末端執(zhí)行器二維軌跡;REG:目標(biāo)區(qū)域;START:開(kāi)始點(diǎn);END:停止點(diǎn)

勢(shì)能函數(shù)如圖5所示，機(jī)器人末端執(zhí)行器能夠快速收斂到目標(biāo)區(qū)域.關(guān)節(jié)角度和控制輸入力矩隨時(shí)間變化如圖6所示.仿真結(jié)果證明了目標(biāo)區(qū)域跟蹤防撞控制器對(duì)完成運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤任務(wù)的有效性.

圖5 移動(dòng)區(qū)域軌跡跟蹤:勢(shì)能函數(shù)

圖6 移動(dòng)區(qū)域軌跡跟蹤：關(guān)節(jié)角和控制輸入(a) 關(guān)節(jié)角; (b) 控制輸入Fig.6 Moving region trajectory tracking: joint angles and control inputs (a) Joint angles ; (b) control inputs

4.2 仿真安全防撞

醫(yī)療護(hù)理機(jī)械臂在完成不同醫(yī)護(hù)任務(wù)移動(dòng)過(guò)程中，存在機(jī)械臂末端執(zhí)行器碰撞患者或者醫(yī)護(hù)用品的風(fēng)險(xiǎn)，為此在已知患者與醫(yī)護(hù)用品位置的前提下，對(duì)控制器的防撞安全性進(jìn)行驗(yàn)證.各參數(shù)不變，所考慮的軌跡與上一個(gè)仿真實(shí)驗(yàn)相同目標(biāo)區(qū)域球體半徑r0=0.2 m，分別在xob1=[0.25,-0.55,0.43]T,xob2=[-0.12,-0.64,0.52]T,xob3=[0.25,-0.90,0.33]T3個(gè)位置放置障礙物代表護(hù)理病房空間中的三個(gè)醫(yī)護(hù)用品，障礙物最小作用距離λ0=0.1 m.機(jī)械臂末端執(zhí)行器軌跡的三維視圖如圖7所示，機(jī)械臂在規(guī)避障礙物后，繼續(xù)保持穩(wěn)定，并跟蹤運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)區(qū)域.勢(shì)能函數(shù)如圖8所示，關(guān)節(jié)角度和控制力矩輸入如圖9所示.仿真結(jié)果驗(yàn)證了目標(biāo)區(qū)域跟蹤防撞控制器在機(jī)械臂運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)障礙物時(shí)，防止機(jī)械臂末端執(zhí)行器碰撞障礙物的有效性.

圖7 規(guī)避碰撞:UR10:3D:末端執(zhí)行器三維軌跡;UR10:2D:末端執(zhí)行器二維軌跡;REG:目標(biāo)區(qū)域二維視圖;OBS-REG:障礙物最小影響范圍;OSB:障礙物；START:開(kāi)始點(diǎn);END:停止點(diǎn)

圖8 規(guī)避碰撞：勢(shì)能函數(shù)

圖9 規(guī)避碰撞:關(guān)節(jié)角和控制輸入

4.3 人機(jī)交互實(shí)驗(yàn)

人機(jī)交互實(shí)驗(yàn)，在UR10機(jī)械臂平臺(tái)上完成，該平臺(tái)由UR10機(jī)械臂本體、控制柜CB3、上位機(jī)控制系統(tǒng)三部分組成.上位機(jī)控制系統(tǒng)使用URScript編寫(xiě)控制算法，負(fù)責(zé)在線運(yùn)行控制算法，向控制柜發(fā)送各關(guān)節(jié)角速度控制指令，控制柜負(fù)責(zé)接收控制指令，控制移動(dòng)機(jī)械臂，并獲取機(jī)械臂信息，將機(jī)械臂狀態(tài)反饋到上位機(jī)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械臂的控制，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖10所示.

圖10 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig.10 Experimental setup

人機(jī)交互實(shí)驗(yàn)如圖11，機(jī)械臂末端執(zhí)行器收斂到目標(biāo)區(qū)域后，可在目標(biāo)區(qū)域內(nèi)通過(guò)手持移動(dòng)機(jī)械臂末端執(zhí)行器位置，在目標(biāo)區(qū)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)柔順人機(jī)交互.在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，各參數(shù)設(shè)置為μ=1.1，k=1,kα=1，kν=1，c=2，m=1.05，η=0.1.目標(biāo)區(qū)域中心點(diǎn)坐標(biāo)設(shè)置為x0=[0,-0.3918,0.274]T，目標(biāo)區(qū)域球體半徑r0=0.2 m,以及機(jī)械臂前三個(gè)關(guān)節(jié)初始角度分別設(shè)置為：[1.5,-1.5,2.41]Trad，后三個(gè)關(guān)節(jié)的角度保持固定值[0,-π/3,0]Trad.在完成人機(jī)交互實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，機(jī)械臂關(guān)節(jié)角度和勢(shì)能變化如圖12所示，機(jī)械臂位置變化如圖13所示，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示機(jī)械臂末端執(zhí)行器在目標(biāo)區(qū)域內(nèi)，勢(shì)能為0，關(guān)節(jié)角度不改變，t=2 s通過(guò)移動(dòng)機(jī)械臂末端執(zhí)行器位置到目標(biāo)區(qū)域外，勢(shì)能大于0，控制器控制機(jī)械臂改變關(guān)節(jié)角度，將機(jī)械臂末端執(zhí)行器收斂至目標(biāo)區(qū)域，保持穩(wěn)定.t=7.9 s，在目標(biāo)區(qū)域內(nèi)移動(dòng)末端執(zhí)行器位置，勢(shì)能為0，機(jī)械臂保持穩(wěn)定，不改變各關(guān)節(jié)角度.根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證了目標(biāo)區(qū)域跟蹤防撞控制器在機(jī)械臂操作過(guò)程中人機(jī)交互有效性.

圖11 人機(jī)交互實(shí)驗(yàn)

圖12 人機(jī)交互:關(guān)節(jié)角和勢(shì)能函數(shù)

圖13 人機(jī)交互:REG:目標(biāo)區(qū)域;UR10:簡(jiǎn)化UR10

4.4 安全防撞實(shí)驗(yàn)

安全防撞實(shí)驗(yàn)，機(jī)械臂末端執(zhí)行器在跟蹤移動(dòng)區(qū)域過(guò)程中，規(guī)避障礙物，實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂末端執(zhí)行器對(duì)障礙物的安全防撞.實(shí)驗(yàn)在UR10機(jī)械臂平臺(tái)上完成，各參數(shù)不變，各關(guān)節(jié)初始角度不變，與前一個(gè)實(shí)驗(yàn)相同，目標(biāo)區(qū)域中心x0期望軌跡由以下公式表示，目標(biāo)區(qū)域球體半徑r0=0.2 m,x0=[0,-0.3918-0.02t,0.274]T分別在xob1=[-0.08,-0.55,0.24]T,xob2=[0.15,-0.83,0.24]T兩個(gè)位置放置障礙物代表護(hù)理病房空間中的兩個(gè)個(gè)醫(yī)護(hù)用品，設(shè)置實(shí)驗(yàn)如圖14所示.

本文使用防撞預(yù)測(cè)模型，通過(guò)計(jì)算防撞安全指數(shù)實(shí)時(shí)改變障礙物作用半徑，與不改變障礙物作用半徑的無(wú)差別避障進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)比，因在護(hù)理病房?jī)?nèi)如水杯，體溫槍，藥瓶，最大邊長(zhǎng)約0.1 m，為保證機(jī)械臂末端安全避障，預(yù)留安全距離，所以將無(wú)差別避障中障礙物作用半徑設(shè)置為λ0=0.17 m，通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制機(jī)械臂末端執(zhí)行器運(yùn)動(dòng)軌跡三維視圖及俯視圖對(duì)比如圖15所示.

圖14 規(guī)避碰撞實(shí)驗(yàn)

(a)

(b)

(c)

各關(guān)節(jié)角度變化對(duì)比如圖16所示，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可得到以下結(jié)論，在規(guī)避障礙物過(guò)程中應(yīng)用防撞預(yù)測(cè)模型改變障礙物作用范圍，減少了各關(guān)節(jié)角的變化幅度，使得障礙物規(guī)避過(guò)程中機(jī)械臂末端執(zhí)行器運(yùn)動(dòng)軌跡更加平滑，并與障礙物保持安全距離，驗(yàn)證了目標(biāo)區(qū)域跟蹤防撞控制器在防止機(jī)械臂末端執(zhí)行器碰撞障礙物過(guò)程中的有效性.

圖16 規(guī)避碰撞:CAP:防撞預(yù)測(cè); IOA:無(wú)差別避障

5 結(jié) 論

本文針對(duì)醫(yī)療護(hù)理機(jī)械臂在控制過(guò)程中存在的人機(jī)交互、軌跡跟蹤，以及在護(hù)理過(guò)程防止碰撞的實(shí)際問(wèn)題，提出目標(biāo)區(qū)域跟蹤防撞控制器.該方法結(jié)合人工勢(shì)能函數(shù)使用了區(qū)域到達(dá)控制，實(shí)現(xiàn)醫(yī)療護(hù)理機(jī)械臂有效跟蹤目標(biāo)區(qū)域，并在目標(biāo)區(qū)域?qū)崿F(xiàn)柔順人機(jī)交互.本文提出的防撞預(yù)測(cè)模型通過(guò)改變障礙物斥力場(chǎng)作用半徑實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂對(duì)障礙物的規(guī)避，既保留了人工勢(shì)場(chǎng)法簡(jiǎn)明的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)，又提高了機(jī)械臂的護(hù)理安全性，以及避障軌跡的平滑穩(wěn)定.