林義忠，謝震鵬

（廣西大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，南寧 530004）

0 引言

在勞動(dòng)力成本上升和人工智能快速發(fā)展的背景下，機(jī)器人使用數(shù)量和應(yīng)用領(lǐng)域都在迅速擴(kuò)大[1]。除了傳統(tǒng)制造業(yè)外，機(jī)器人還逐步應(yīng)用于航天、深海、軍事、醫(yī)療康復(fù)、生活援助等方面，其工作環(huán)境更加復(fù)雜、人機(jī)協(xié)作更加密切。目前常用的開(kāi)鏈?zhǔn)酱?lián)機(jī)器人具有工作空間大和工作路徑復(fù)雜的特點(diǎn)，在工作過(guò)程中極易與環(huán)境物體或者人員發(fā)生碰撞，造成物品損壞和人員傷亡。因此，有必要開(kāi)展機(jī)器人的碰撞檢測(cè)理論和檢測(cè)方法研究。

碰撞會(huì)損害機(jī)器人本體，同時(shí)也可能使人受到傷害，因此，安全是機(jī)器人最重要的指標(biāo)之一。針對(duì)機(jī)器人安全防護(hù)的碰撞檢測(cè)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者和工業(yè)界進(jìn)行了深入研究，并取得了一系列的研究成果。

在現(xiàn)有機(jī)器人的各種碰撞檢測(cè)與安全防護(hù)技術(shù)中，按照空間距離可以分為非接觸式和接觸式。第一類(lèi)包括軌跡規(guī)劃、模擬仿真、接近檢測(cè)、3D 視覺(jué)避障等方法，由于受到實(shí)時(shí)性和使用成本等因素的制約，多應(yīng)用于事前規(guī)劃和低速的場(chǎng)合，在高速運(yùn)行的工業(yè)機(jī)器人上較少投入使用。第二類(lèi)包括開(kāi)關(guān)式碰撞檢測(cè)法（Collision Detection Switch，CDS）、觸覺(jué)傳感器檢測(cè)法、接觸力檢測(cè)法和驅(qū)動(dòng)電流異常檢測(cè)法等。

本文圍繞非接觸式和接觸式兩類(lèi)碰撞檢測(cè)方法和安全防護(hù)技術(shù)，綜述國(guó)內(nèi)外機(jī)器人碰撞檢測(cè)方法。給出了當(dāng)前機(jī)器人安全防護(hù)的碰撞檢測(cè)方法的研究進(jìn)展以及應(yīng)用情況，分析各種方法的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，并對(duì)協(xié)作機(jī)器人的安全防護(hù)技術(shù)進(jìn)行了展望。

1 非接觸式碰撞檢測(cè)方法

1.1 視覺(jué)識(shí)別避障

隨著人工智能理論的快速發(fā)展，視覺(jué)識(shí)別與避障成為了機(jī)器人領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外研究人員進(jìn)行了大量的相關(guān)研究并取得了較多成果。重點(diǎn)為移動(dòng)機(jī)器人的路徑識(shí)別與避障，涉及到工業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)業(yè)機(jī)械和服務(wù)娛樂(lè)等行業(yè)，研究的內(nèi)容有圖像識(shí)別、雙目視覺(jué)定位、手眼協(xié)調(diào)及坐標(biāo)的變換與標(biāo)定等[2-6]。

視覺(jué)避障主要以相機(jī)獲取周?chē)h(huán)境信息，通過(guò)建立地圖或模型進(jìn)行碰撞檢測(cè)。陳星辰[7]提出一種基于Kinect V2 傳感器動(dòng)態(tài)障礙物的檢測(cè)方法，利用三幀差分法進(jìn)行動(dòng)態(tài)目標(biāo)檢測(cè)，從而獲取障礙物的點(diǎn)云數(shù)據(jù)以及三維包圍盒信息，利用基于AABBB包圍盒的碰撞檢測(cè)方法進(jìn)行碰撞檢測(cè)，最終結(jié)合所提出的路徑規(guī)劃法實(shí)現(xiàn)了避障。趙超力[8]使用雙目相機(jī)獲取機(jī)器人周?chē)h(huán)境信息，通過(guò)Canny 算子以及雙目視覺(jué)定位算法確定三維空間中障礙物的位置信息，提出基于簡(jiǎn)化模型的包圍盒碰撞檢測(cè)方法，減少了碰撞檢測(cè)的時(shí)間。張琪[9]針對(duì)AABB包圍盒中三角片的大小不均勻會(huì)導(dǎo)致包圍盒不能有效逐層收縮的問(wèn)題，提出了一種改進(jìn)包圍盒樹(shù)構(gòu)造方法，該方法基于三角片分割，引入兩個(gè)變量分別控制三角片的個(gè)數(shù)以及三角片分割粒度。Moore等[10]提出一種基于八叉樹(shù)的空間分割方法，該方法將整個(gè)空間逐漸分割成等體積的規(guī)則空間，同時(shí)就將整個(gè)空間中的物體分割成了更小的單位，再以相鄰空間或占據(jù)同一空間的物體做相交測(cè)試，以完成碰撞檢測(cè)。岳利品等[11]通過(guò)使用深度相機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)機(jī)械臂周?chē)沫h(huán)境，建立八叉樹(shù)地圖，使用Movelt!功能包處理深度相機(jī)采集到的圖像數(shù)據(jù)以及控制機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)，從而達(dá)到當(dāng)環(huán)境中出現(xiàn)動(dòng)態(tài)障礙物時(shí)，能檢測(cè)出障礙物并實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)避障的效果。高鵬[12]提出了一種應(yīng)用于人機(jī)協(xié)作的機(jī)器人主動(dòng)避碰的方法，利用多Kinect 傳感器獲取人體和機(jī)器人的三維結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，建立人體仿真模型，并采用卡爾曼濾波進(jìn)行人體骨架的位置預(yù)測(cè)，采用分層碰撞檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行碰撞檢測(cè)。李煥宇[13]使用Kinect2.0相機(jī)獲取環(huán)境中人體數(shù)據(jù)并計(jì)算出其中心在三維空間中的坐標(biāo)，采用自適應(yīng)直通濾波器結(jié)合統(tǒng)計(jì)濾波算法實(shí)現(xiàn)人體的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)的離散點(diǎn)處理和閾值分割，然后利用ICP 算法進(jìn)行人體點(diǎn)云拼接，設(shè)計(jì)一種基于AABB 包圍盒的層次包圍盒算法，實(shí)現(xiàn)人體障礙物的檢測(cè)，仿真結(jié)果如圖1 所示，最后提出一種改進(jìn)雙向快速擴(kuò)展隨機(jī)樹(shù)的避障軌跡規(guī)劃算法，該方法能減少軌跡生成時(shí)間。

圖1 碰撞仿真結(jié)果圖

機(jī)器人的視覺(jué)識(shí)別與運(yùn)動(dòng)避障，在理論上可以通過(guò)雙攝像頭的視覺(jué)定位來(lái)實(shí)現(xiàn)，這一方法最大的問(wèn)題在于識(shí)別的精確性和實(shí)時(shí)性之間的矛盾，較高的圖像分辨率才能夠保證識(shí)別的精確性，而海量的圖像數(shù)據(jù)必然會(huì)造成控制計(jì)算機(jī)運(yùn)算結(jié)果的時(shí)間滯后，所以只能夠用于機(jī)器人離線識(shí)別或者低速運(yùn)動(dòng)的避障。

1.2 軌跡規(guī)劃避障

軌跡規(guī)劃避障首先需要進(jìn)行路徑規(guī)劃，在連接起點(diǎn)位置和終點(diǎn)位置的同時(shí)，避開(kāi)過(guò)程中的障礙物。路徑規(guī)劃通常是形成一系列的離散點(diǎn)，然后通過(guò)擬合曲線擬合成一條路徑。完成路徑規(guī)劃后，軌跡規(guī)劃在根據(jù)機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)模型、約束條件等，產(chǎn)生控制指令，使機(jī)器人在某一時(shí)間以某種速度和方向通過(guò)某個(gè)位置，從而使得機(jī)器人通過(guò)路徑規(guī)劃的路徑達(dá)到終點(diǎn)位置并且不發(fā)生碰撞。因此，軌跡規(guī)劃避障的避障環(huán)節(jié)主要在于路徑規(guī)劃。

主流的路徑規(guī)劃方法有基于圖搜索的路徑規(guī)劃、基于采樣的路徑規(guī)劃和基于人工勢(shì)場(chǎng)的路徑規(guī)劃?；趫D搜索的路徑規(guī)劃是在建立好的地圖中利用地圖信息來(lái)尋找起點(diǎn)位置到終點(diǎn)位置的最優(yōu)路徑的一種方法，該方法的常用算法有A*算法和D*算法。A*算法適用于靜態(tài)環(huán)境的路徑規(guī)劃，D*算法根據(jù)A*算法改進(jìn)，適用于動(dòng)態(tài)環(huán)境中的機(jī)器人路徑規(guī)劃[14]。宗成星等[15]提出了一種基于A*算法的機(jī)械臂路徑規(guī)劃避障方法，該方法建立機(jī)械臂和障礙物的三維簡(jiǎn)化空間模型，利用A*算法搜索最優(yōu)避障路徑，同時(shí)利用二次B 樣條曲線處理得到的路徑，使之平滑，確保機(jī)械臂平穩(wěn)工作。常用的基于采樣的路徑規(guī)劃的算法有PRM 算法和RRT 算法。PRM 算法不需要事先建立障礙物模型，適用于高維空間的機(jī)器人路徑規(guī)劃，但是該算法搜索的不是最優(yōu)路徑。RRT 算法的優(yōu)點(diǎn)有建模簡(jiǎn)單、搜索能力強(qiáng)、可以添加多種約束等，適用于高維空間的機(jī)器人動(dòng)態(tài)路徑規(guī)劃，但該算法有節(jié)點(diǎn)利用率低、路徑不穩(wěn)定的缺點(diǎn)。薛陽(yáng)等[16]提出了一種改進(jìn)PRM 算法，該算法采用近似最近鄰搜索中的局部敏感哈希算法構(gòu)建無(wú)向路徑圖，減少了構(gòu)建無(wú)向路徑圖的時(shí)間，提高了算法的效率。J J Kuffner等[17]提出了一種雙向擴(kuò)展的改進(jìn)RRT算法RRTConnect，該算法會(huì)從起始點(diǎn)和目標(biāo)點(diǎn)分別向?qū)Ψ缴呻S機(jī)樹(shù)，并引入貪婪策略。該算法提高了算法的效率，但是算法生成的路徑不是最優(yōu)路徑。人工勢(shì)場(chǎng)法最早由Khatib 提出，在工作空間內(nèi)建立虛擬力場(chǎng)，障礙物排斥機(jī)器人，目標(biāo)點(diǎn)吸引機(jī)器人，然后通過(guò)受力分析來(lái)得到機(jī)器人的加速度以及運(yùn)動(dòng)方向，從而使機(jī)器人運(yùn)動(dòng)到目標(biāo)點(diǎn)的同時(shí)不與障礙物發(fā)生碰撞[18]。人工勢(shì)場(chǎng)法不需要進(jìn)行全局路徑規(guī)劃，而且實(shí)時(shí)性好，但是容易出現(xiàn)局部最優(yōu)以及鎖死的情況。

2 接觸式碰撞檢測(cè)方法

2.1 力反饋碰撞檢測(cè)

在機(jī)器人手腕部安裝一個(gè)多維力傳感器，根據(jù)反饋力值的變化程度來(lái)判斷是否發(fā)生碰撞。合肥工大的劉正士教授、哈工大的倪風(fēng)雷博士、大連理工大學(xué)的叢明教授等學(xué)者在建模、計(jì)算、誤差標(biāo)定及動(dòng)力學(xué)分析各個(gè)方面對(duì)這一課題進(jìn)行了深入的研究并取得了較多的成果[19-21]；加拿大的RBekhti 等[22]設(shè)計(jì)出一種由硅膠和導(dǎo)電電極層制成傳感元件的新型多軸力-扭矩傳感器，其優(yōu)點(diǎn)在于能夠測(cè)量出應(yīng)力分布從而減小傳感元件網(wǎng)的尺寸。Zhang 等[23]利用六維力傳感器，如圖2 所示，來(lái)感知機(jī)器人末端的牽引力，實(shí)現(xiàn)了對(duì)機(jī)器人的力控制。力反饋碰撞測(cè)量方法相對(duì)比較成熟，有產(chǎn)品投放市場(chǎng)，但是其本身不具有緩沖保護(hù)的功能，只適合于在力伺服和柔性臂機(jī)器人上使用。

圖2 牽引力感知力傳感器

2.2 觸覺(jué)傳感器碰撞檢測(cè)

觸覺(jué)傳感器是根據(jù)傳感器受到力的作用后，某一參數(shù)會(huì)相應(yīng)地發(fā)生變化，以此來(lái)測(cè)量出外力的大小。觸覺(jué)傳感器包括壓阻式、壓電式、電容式、電感式、光學(xué)式、復(fù)合式等類(lèi)型。各種類(lèi)型的觸覺(jué)傳感器因材料的不同導(dǎo)致工作原理有所不同，相同的是都通過(guò)將力等外部信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，建立起外部信號(hào)與電信號(hào)之間的關(guān)聯(lián)，通過(guò)檢測(cè)電信號(hào)來(lái)檢查外部信號(hào)。本文只介紹壓電式觸覺(jué)傳感器，各類(lèi)型觸覺(jué)傳感器對(duì)比如表1所示。

表1 各類(lèi)型觸覺(jué)傳感器對(duì)比

機(jī)械手的外部包裹一層壓電敏感材料，當(dāng)機(jī)器人與外界發(fā)生碰撞時(shí)，壓電敏感材料產(chǎn)生報(bào)警電信號(hào)。合肥智能機(jī)械研究所的梅濤和清華大學(xué)的趙東斌等學(xué)者對(duì)壓敏材料PVDF 在機(jī)器人防護(hù)方面進(jìn)行了深入的研究[24-25]，福州大學(xué)的吳海彬提出采用粘彈性包覆層對(duì)機(jī)械臂加以保護(hù)。拉瓦勒大學(xué)的Duchaine V 研究小組提出一種由聚酰亞胺膜制成的柔性傳感片構(gòu)成的機(jī)器人皮膚[26]，后又提出另外一種基于碳黑填充硅樹(shù)脂（CBF）和導(dǎo)電織物的可拉伸機(jī)器人表皮的新設(shè)計(jì)[27]，但是需要使用微加工技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)陣列結(jié)構(gòu)，成本較高，且串?dāng)_效應(yīng)影響較大。

壓阻式觸覺(jué)傳感器的工作原理主要為壓阻效應(yīng)，壓阻材料的電阻率會(huì)隨著其受到的載荷變化而變化。HUANG C Y 等[28]用半導(dǎo)體硅和彈簧制作了一種半導(dǎo)體柔性陣列式傳感器，如圖3 所示，可以通過(guò)調(diào)整彈簧的結(jié)構(gòu)來(lái)改變傳感器的空間分辨率。Jaeyong Lee 等[29]使用多層碳納米管涂層織物研制了一種壓阻式觸覺(jué)傳感器，該觸覺(jué)傳感器在較寬的壓力范圍內(nèi)有較高的靈敏度。

圖3 彈簧式半導(dǎo)體硅壓阻傳感器

電容式觸覺(jué)傳感器主要通過(guò)測(cè)量平行極板間距改變帶來(lái)的電容值變化來(lái)測(cè)量力。安徽大學(xué)的Qiu Jie等[30]探索了基于石墨烯微結(jié)構(gòu)介電層的電容式壓力傳感器，改善了傳感器的靈敏度和其他性能，如圖4 所示。CHEN Y S等[31]用氧化鋅納米線和聚甲基丙烯酸甲酯制作介電復(fù)合層，如圖5所示，增強(qiáng)了電容傳感器對(duì)壓力感測(cè)的響應(yīng)。

圖4 基于石墨烯微結(jié)構(gòu)介電層的電容傳感器

圖5 基于氧化鋅納米線等的電容傳感器

這一類(lèi)方法可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的整體防護(hù)，但是，壓敏材料因局部的褶皺變形而極易產(chǎn)生誤報(bào)警信號(hào)，包裹的壓敏材料在碰撞中容易損壞，碰撞發(fā)生時(shí)無(wú)法產(chǎn)生變形和緩沖保護(hù)作用。

2.3 間接參數(shù)碰撞檢測(cè)

間接參數(shù)碰撞檢測(cè)就是不在機(jī)器人外部加裝傳感器來(lái)獲取碰撞檢測(cè)信息，而是通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)機(jī)器人的電流、機(jī)械阻抗和動(dòng)量等參數(shù)值并與理論計(jì)算值比較，當(dāng)監(jiān)測(cè)值與理論值出現(xiàn)較大的偏差時(shí)，就可以判斷機(jī)械手與外界發(fā)生了碰撞。李龍晶等[32]針對(duì)凈化機(jī)器人，提出了一種基于力矩誤差的機(jī)器人碰撞檢測(cè)方法，該方法通過(guò)機(jī)器人的理論位移、速度、加速度以及實(shí)際位移、速度來(lái)得到干擾力的變化情況，同時(shí)設(shè)定干擾力閾值來(lái)判斷是否發(fā)生碰撞。福州大學(xué)的吳海彬[33]提出一種基于廣義動(dòng)量偏差觀測(cè)器的間接碰撞檢測(cè)方法，以及如何解決碰撞檢測(cè)中加速度噪聲干擾的問(wèn)題，取得了一定的研究成果。福州大學(xué)的李智靖等[34]提出了一種基于卷積力矩觀測(cè)器的機(jī)器人碰撞檢測(cè)，并引入靜態(tài)LuGre 模型補(bǔ)償關(guān)節(jié)摩擦,減小了機(jī)器人模型的誤差。哈爾濱工業(yè)大學(xué)劉宏等[35]引入自適應(yīng)關(guān)節(jié)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償器使機(jī)械臂能夠檢測(cè)碰撞并控制接觸力實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂對(duì)環(huán)境的友好操作。張鐵等[36]提出了一種碰撞標(biāo)量進(jìn)行碰撞檢測(cè)，該碰撞標(biāo)量由機(jī)器人實(shí)時(shí)電流和當(dāng)前軌跡的誤差量合成，當(dāng)合成的碰撞標(biāo)量大于碰撞閾值時(shí)，可判斷機(jī)器人發(fā)生碰撞。該類(lèi)方法屬于間接測(cè)量方法，無(wú)須加裝外部傳感器，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單成本低，但檢測(cè)與反饋會(huì)存在一定的時(shí)間滯后，且不具備碰撞后的緩沖和保護(hù)功能。

3 發(fā)展趨勢(shì)展望

隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人完成重復(fù)性工作的效率高，而人則可以靈活地輔助機(jī)器人完成更加復(fù)雜的工作，使得工作效率提高的同時(shí)不提高機(jī)器人的復(fù)雜程度。人機(jī)協(xié)作的工作方式會(huì)應(yīng)用得更加廣泛。由于人與機(jī)器人需要接觸合作，人機(jī)協(xié)作中的安全防護(hù)技術(shù)也顯得很重要。

視覺(jué)是機(jī)器人的眼睛，是機(jī)器人安全防護(hù)和碰撞檢測(cè)的一種重要方式。制約視覺(jué)應(yīng)用的原因是數(shù)據(jù)處理量大，實(shí)時(shí)性差，數(shù)據(jù)少且不能保證精度。視覺(jué)識(shí)別避障未來(lái)可能從以下幾個(gè)方面發(fā)展：硬件升級(jí)，提升視覺(jué)識(shí)別避障處理系統(tǒng)硬件設(shè)施的數(shù)據(jù)處理能力，在一定程度上提高了視覺(jué)識(shí)別避障的實(shí)時(shí)性；算法優(yōu)化，使算法處理的數(shù)據(jù)更少、更有針對(duì)性，在保證精度的情況下提高實(shí)時(shí)性；多傳感器融合，如融合激光雷達(dá)、紅外傳感器等，可以得到障礙物的更多信息，提高信息的準(zhǔn)確性和互補(bǔ)性。

觸覺(jué)是機(jī)器人僅次于視覺(jué)的重要“感知”能力，也是協(xié)作機(jī)器人未來(lái)發(fā)展的重要方向之一。觸覺(jué)傳感器碰撞檢測(cè)未來(lái)可能從以下幾個(gè)方面發(fā)展：（1）增強(qiáng)緩沖能力，未來(lái)的觸覺(jué)傳感器可能采用可變形的材料制作，使得觸覺(jué)傳感器在碰撞時(shí)，可以根據(jù)變形情況分析出碰撞發(fā)生的位置、碰撞力的大小，且具有緩沖的作用，在一定程度上保護(hù)機(jī)器人和觸覺(jué)傳感器；（2）柔性化，柔性觸覺(jué)傳感器在彎曲或者拉伸時(shí)仍然能保持其優(yōu)越的性能，能夠安裝在不同形狀的機(jī)器人上，并且其能夠適應(yīng)不同物體的材質(zhì)和硬度，大大減小了自身?yè)p壞的可能；（3）增加自愈功能，觸覺(jué)傳感器在使用過(guò)程中不可避免的會(huì)劃破等造成破損，影響其性能，維修和拆裝麻煩。擁有自愈能力的觸覺(jué)傳感器就可以像人的皮膚一樣，能夠自動(dòng)修復(fù)一定程度的破損，增大其安全性和使用壽命。目前大多采用導(dǎo)電水凝膠和聚合度高的彈性體來(lái)制作有自愈能力的觸覺(jué)傳感器。

力反饋碰撞檢測(cè)。力傳感器能夠檢測(cè)比觸覺(jué)傳感器更大的力，但是，其通常需要連接機(jī)械臂、末端執(zhí)行器或者外部負(fù)載，這些負(fù)載的重力、慣性力等影響力傳感器對(duì)碰撞力的檢測(cè)。對(duì)于力傳感器平衡動(dòng)態(tài)力的研究雖然有，但仍不完善。此外，還可以研究在平衡負(fù)載重力、慣性力等的情況下，保持力傳感器的靈敏度，以及智能調(diào)節(jié)其靈敏度，如在機(jī)器人正常工作時(shí)，其末端執(zhí)行器需要與物體接觸時(shí)，可以降低其靈敏度，提高報(bào)警的閾值，非正常工作時(shí)提高靈敏度，檢測(cè)碰撞力。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了機(jī)器人安全防護(hù)方法，主要圍繞非接觸式和接觸式兩類(lèi)碰撞檢測(cè)和安全防護(hù)技術(shù)，歸納了國(guó)內(nèi)外機(jī)器人碰撞檢測(cè)方法及其特點(diǎn)。針對(duì)機(jī)器人安全防護(hù)的碰撞檢測(cè)方法目前的研究及應(yīng)用狀況，分析了現(xiàn)有機(jī)器人碰撞檢測(cè)方法的不足，并對(duì)協(xié)作機(jī)器人的安全防護(hù)技術(shù)進(jìn)行了展望。通過(guò)分析和總結(jié)機(jī)器人安全防護(hù)的國(guó)內(nèi)外研究成果，有利于深入研究機(jī)器人的安全性能，使協(xié)作機(jī)器人能在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)揮更多的作用。