機器人碰撞檢測方法研究進展*

林義忠，謝震鵬

（廣西大學(xué)機械工程學(xué)院，南寧 530004）

0 引言

在勞動力成本上升和人工智能快速發(fā)展的背景下，機器人使用數(shù)量和應(yīng)用領(lǐng)域都在迅速擴大[1]。除了傳統(tǒng)制造業(yè)外，機器人還逐步應(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、人機協(xié)作更加密切。目前常用的開鏈?zhǔn)酱?lián)機器人具有工作空間大和工作路徑復(fù)雜的特點，在工作過程中極易與環(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，有必要開展機器人的碰撞檢測理論和檢測方法研究。

碰撞會損害機器人本體，同時也可能使人受到傷害，因此，安全是機器人最重要的指標(biāo)之一。針對機器人安全防護的碰撞檢測，國內(nèi)外學(xué)者和工業(yè)界進行了深入研究，并取得了一系列的研究成果。

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

本文圍繞非接觸式和接觸式兩類碰撞檢測方法和安全防護技術(shù)，綜述國內(nèi)外機器人碰撞檢測方法。給出了當(dāng)前機器人安全防護的碰撞檢測方法的研究進展以及應(yīng)用情況，分析各種方法的優(yōu)點和缺點，并對協(xié)作機器人的安全防護技術(shù)進行了展望。

1 非接觸式碰撞檢測方法

1.1 視覺識別避障

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

視覺避障主要以相機獲取周圍環(huán)境信息，通過建立地圖或模型進行碰撞檢測。陳星辰[7]提出一種基于Kinect V2 傳感器動態(tài)障礙物的檢測方法，利用三幀差分法進行動態(tài)目標(biāo)檢測，從而獲取障礙物的點云數(shù)據(jù)以及三維包圍盒信息，利用基于AABBB包圍盒的碰撞檢測方法進行碰撞檢測，最終結(jié)合所提出的路徑規(guī)劃法實現(xiàn)了避障。趙超力[8]使用雙目相機獲取機器人周圍環(huán)境信息，通過Canny 算子以及雙目視覺定位算法確定三維空間中障礙物的位置信息，提出基于簡化模型的包圍盒碰撞檢測方法，減少了碰撞檢測的時間。張琪[9]針對AABB包圍盒中三角片的大小不均勻會導(dǎo)致包圍盒不能有效逐層收縮的問題，提出了一種改進包圍盒樹構(gòu)造方法，該方法基于三角片分割，引入兩個變量分別控制三角片的個數(shù)以及三角片分割粒度。Moore等[10]提出一種基于八叉樹的空間分割方法，該方法將整個空間逐漸分割成等體積的規(guī)則空間，同時就將整個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試，以完成碰撞檢測。岳利品等[11]通過使用深度相機實時監(jiān)測機械臂周圍的環(huán)境，建立八叉樹地圖，使用Movelt!功能包處理深度相機采集到的圖像數(shù)據(jù)以及控制機械臂的運動，從而達到當(dāng)環(huán)境中出現(xiàn)動態(tài)障礙物時，能檢測出障礙物并實現(xiàn)動態(tài)避障的效果。高鵬[12]提出了一種應(yīng)用于人機協(xié)作的機器人主動避碰的方法，利用多Kinect 傳感器獲取人體和機器人的三維結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，建立人體仿真模型，并采用卡爾曼濾波進行人體骨架的位置預(yù)測，采用分層碰撞檢測技術(shù)進行碰撞檢測。李煥宇[13]使用Kinect2.0相機獲取環(huán)境中人體數(shù)據(jù)并計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)計濾波算法實現(xiàn)人體的三維點云數(shù)據(jù)的離散點處理和閾值分割，然后利用ICP 算法進行人體點云拼接，設(shè)計一種基于AABB 包圍盒的層次包圍盒算法，實現(xiàn)人體障礙物的檢測，仿真結(jié)果如圖1 所示，最后提出一種改進雙向快速擴展隨機樹的避障軌跡規(guī)劃算法，該方法能減少軌跡生成時間。

圖1 碰撞仿真結(jié)果圖

機器人的視覺識別與運動避障，在理論上可以通過雙攝像頭的視覺定位來實現(xiàn)，這一方法最大的問題在于識別的精確性和實時性之間的矛盾，較高的圖像分辨率才能夠保證識別的精確性，而海量的圖像數(shù)據(jù)必然會造成控制計算機運算結(jié)果的時間滯后，所以只能夠用于機器人離線識別或者低速運動的避障。

1.2 軌跡規(guī)劃避障

軌跡規(guī)劃避障首先需要進行路徑規(guī)劃，在連接起點位置和終點位置的同時，避開過程中的障礙物。路徑規(guī)劃通常是形成一系列的離散點，然后通過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)機器人的動力學(xué)模型、約束條件等，產(chǎn)生控制指令，使機器人在某一時間以某種速度和方向通過某個位置，從而使得機器人通過路徑規(guī)劃的路徑達到終點位置并且不發(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)劃和基于人工勢場的路徑規(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尋找起點位置到終點位置的最優(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，適用于動態(tài)環(huán)境中的機器人路徑規(guī)劃[14]。宗成星等[15]提出了一種基于A*算法的機械臂路徑規(guī)劃避障方法，該方法建立機械臂和障礙物的三維簡化空間模型，利用A*算法搜索最優(yōu)避障路徑，同時利用二次B 樣條曲線處理得到的路徑，使之平滑，確保機械臂平穩(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)點有建模簡單、搜索能力強、可以添加多種約束等，適用于高維空間的機器人動態(tài)路徑規(guī)劃，但該算法有節(jié)點利用率低、路徑不穩(wěn)定的缺點。薛陽等[16]提出了一種改進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)建無向路徑圖，減少了構(gòu)建無向路徑圖的時間，提高了算法的效率。J J Kuffner等[17]提出了一種雙向擴展的改進RRT算法RRTConnect，該算法會從起始點和目標(biāo)點分別向?qū)Ψ缴呻S機樹，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。人工勢場法最早由Khatib 提出，在工作空間內(nèi)建立虛擬力場，障礙物排斥機器人，目標(biāo)點吸引機器人，然后通過受力分析來得到機器人的加速度以及運動方向，從而使機器人運動到目標(biāo)點的同時不與障礙物發(fā)生碰撞[18]。人工勢場法不需要進行全局路徑規(guī)劃，而且實時性好，但是容易出現(xiàn)局部最優(yōu)以及鎖死的情況。

2 接觸式碰撞檢測方法

2.1 力反饋碰撞檢測

在機器人手腕部安裝一個多維力傳感器，根據(jù)反饋力值的變化程度來判斷是否發(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、計算、誤差標(biāo)定及動力學(xué)分析各個方面對這一課題進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)點在于能夠測量出應(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，來感知機器人末端的牽引力，實現(xiàn)了對機器人的力控制。力反饋碰撞測量方法相對比較成熟，有產(chǎn)品投放市場，但是其本身不具有緩沖保護的功能，只適合于在力伺服和柔性臂機器人上使用。

圖2 牽引力感知力傳感器

2.2 觸覺傳感器碰撞檢測

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

表1 各類型觸覺傳感器對比

機械手的外部包裹一層壓電敏感材料，當(dāng)機器人與外界發(fā)生碰撞時，壓電敏感材料產(chǎn)生報警電信號。合肥智能機械研究所的梅濤和清華大學(xué)的趙東斌等學(xué)者對壓敏材料PVDF 在機器人防護方面進行了深入的研究[24-25]，福州大學(xué)的吳海彬提出采用粘彈性包覆層對機械臂加以保護。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)成的機器人皮膚[26]，后又提出另外一種基于碳黑填充硅樹脂（CBF）和導(dǎo)電織物的可拉伸機器人表皮的新設(shè)計[27]，但是需要使用微加工技術(shù)來實現(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，可以通過調(diào)整彈簧的結(jié)構(gòu)來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傳感器，該觸覺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

電容式觸覺傳感器主要通過測量平行極板間距改變帶來的電容值變化來測量力。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，增強了電容傳感器對壓力感測的響應(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

這一類方法可以實現(xiàn)機器人的整體防護，但是，壓敏材料因局部的褶皺變形而極易產(chǎn)生誤報警信號，包裹的壓敏材料在碰撞中容易損壞，碰撞發(fā)生時無法產(chǎn)生變形和緩沖保護作用。

2.3 間接參數(shù)碰撞檢測

間接參數(shù)碰撞檢測就是不在機器人外部加裝傳感器來獲取碰撞檢測信息，而是通過實時監(jiān)測機器人的電流、機械阻抗和動量等參數(shù)值并與理論計算值比較，當(dāng)監(jiān)測值與理論值出現(xiàn)較大的偏差時，就可以判斷機械手與外界發(fā)生了碰撞。李龍晶等[32]針對凈化機器人，提出了一種基于力矩誤差的機器人碰撞檢測方法，該方法通過機器人的理論位移、速度、加速度以及實際位移、速度來得到干擾力的變化情況，同時設(shè)定干擾力閾值來判斷是否發(fā)生碰撞。福州大學(xué)的吳海彬[33]提出一種基于廣義動量偏差觀測器的間接碰撞檢測方法，以及如何解決碰撞檢測中加速度噪聲干擾的問題，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器的機器人碰撞檢測，并引入靜態(tài)LuGre 模型補償關(guān)節(jié)摩擦,減小了機器人模型的誤差。哈爾濱工業(yè)大學(xué)劉宏等[35]引入自適應(yīng)關(guān)節(jié)動態(tài)補償器使機械臂能夠檢測碰撞并控制接觸力實現(xiàn)機械臂對環(huán)境的友好操作。張鐵等[36]提出了一種碰撞標(biāo)量進行碰撞檢測，該碰撞標(biāo)量由機器人實時電流和當(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，可判斷機器人發(fā)生碰撞。該類方法屬于間接測量方法，無須加裝外部傳感器，結(jié)構(gòu)簡單成本低，但檢測與反饋會存在一定的時間滯后，且不具備碰撞后的緩沖和保護功能。

3 發(fā)展趨勢展望

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

視覺是機器人的眼睛，是機器人安全防護和碰撞檢測的一種重要方式。制約視覺應(yīng)用的原因是數(shù)據(jù)處理量大，實時性差，數(shù)據(jù)少且不能保證精度。視覺識別避障未來可能從以下幾個方面發(fā)展：硬件升級，提升視覺識別避障處理系統(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識別避障的實時性；算法優(yōu)化，使算法處理的數(shù)據(jù)更少、更有針對性，在保證精度的情況下提高實時性；多傳感器融合，如融合激光雷達、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)確性和互補性。

觸覺是機器人僅次于視覺的重要“感知”能力，也是協(xié)作機器人未來發(fā)展的重要方向之一。觸覺傳感器碰撞檢測未來可能從以下幾個方面發(fā)展：（1）增強緩沖能力，未來的觸覺傳感器可能采用可變形的材料制作，使得觸覺傳感器在碰撞時，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，在一定程度上保護機器人和觸覺傳感器；（2）柔性化，柔性觸覺傳感器在彎曲或者拉伸時仍然能保持其優(yōu)越的性能，能夠安裝在不同形狀的機器人上，并且其能夠適應(yīng)不同物體的材質(zhì)和硬度，大大減小了自身損壞的可能；（3）增加自愈功能，觸覺傳感器在使用過程中不可避免的會劃破等造成破損，影響其性能，維修和拆裝麻煩。擁有自愈能力的觸覺傳感器就可以像人的皮膚一樣，能夠自動修復(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制作有自愈能力的觸覺傳感器。

力反饋碰撞檢測。力傳感器能夠檢測比觸覺傳感器更大的力，但是，其通常需要連接機械臂、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碰撞力的檢測。對于力傳感器平衡動態(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，如在機器人正常工作時，其末端執(zhí)行器需要與物體接觸時，可以降低其靈敏度，提高報警的閾值，非正常工作時提高靈敏度，檢測碰撞力。

4 結(jié)束語

本文介紹了機器人安全防護方法，主要圍繞非接觸式和接觸式兩類碰撞檢測和安全防護技術(shù)，歸納了國內(nèi)外機器人碰撞檢測方法及其特點。針對機器人安全防護的碰撞檢測方法目前的研究及應(yīng)用狀況，分析了現(xiàn)有機器人碰撞檢測方法的不足，并對協(xié)作機器人的安全防護技術(shù)進行了展望。通過分析和總結(jié)機器人安全防護的國內(nèi)外研究成果，有利于深入研究機器人的安全性能，使協(xié)作機器人能在實際應(yīng)用中發(fā)揮更多的作用。