制造中協作機器人系統的安全保證機制

黃 晶

（廈門理工學院，福建 廈門 361000）

0 引言

在制造應用中，協作機器人被用于幫助操作員提高制造或裝配過程的靈活性和生產力。除了任務要求外，設計考慮事項還包括安全和信任保證、人體工程學以及處理變更的靈活性[1]。與由預安裝程序控制的非協作機器人相比，協作機器人是人機協作的主動或被動部分[2]，這需要協作機器人通過視覺、聲音、識別凝視或手勢來感知和回應人類的互動和意圖。

微型爬行機器人一直被開發用于搜救任務，需要越野爬行和爬過各種障礙[3]。它們具有小尺寸、低重量和高導航性等特點，大量部署這類機器人能夠快速地對大區域進行檢查。設計機器人需要使用一種可重構機制，例如伸展機構、可變形的輪腿、滾動爬行機制和四桿延伸機制。

1 相關工作

使用多機器人系統有許多優點，包括補償故障機器人、多機器人協同控制[4]、先驅和測量員類型機器人、多機器人探索和覆蓋以及促進無線通信[5]。Kragic 等人提出了一種控制協作機器人的交互式方法。Khan 等人提出了一個容錯多機器人系統的框架，其可以協同實現共同目標。Fong 等人提出了一種多機器人系統的協同人類機器人控制方法，其中單個操作員可以同時控制多個機器人。Wagner 和Choset 開發了一個多機器人路徑規劃框架[6]，只有在需要時才協調機器人運動。Shnaps 和Rimon 開發了一種系繩機器人的運動規劃方法，可以覆蓋帶有障礙物的未知平面環境。Min 等人開發了一種網絡機器人系統來增強無線通信能力，該系統可以在GPS 拒絕的環境中應用。

與非協作機器人相比，協作機器人有很高的安全要求，由于機器人協作通常發生在結構不良和動態的環境中，當人類和機器人共存的共享空間出現危險情況時，需要適當的機制來確保人類和機器人的安全，因此安全機制的設計必須符合相應的行業標準。特別是人機協作標準，它規定了與保護區、工作區、碰撞、物體檢測、速度和力監測相關的安全要求。安全保證是對舵機最關鍵的要求，為了避免機器人與人、障礙物或其他移動物體之間的所有干擾，必須對潛在的碰撞進行定量評估，以對協同機器人系統進行實時控制。

2 設計與制造中的安全保證機制

協作機器人系統主要分為主從2 個部分，主部分定義為父機器人系統，從部分定義為子機器人系統，整個系統結構的相關參數定義如圖1、圖2 所示。為了保證父機器人和子機器人系統在相互協同移動過程中的安全，該文采用了一種四桿延伸機制（four bar extension mechanism，FBEM），通過桿的延伸，在運動過程中協調角度，以保障父機器人和子機器人之間協作的安全。

在圖1 和圖2 中，LB代表父機器人的特征長度，LR代表子機器人的特征長度，rB代表父機器人輪的半徑，rR代表子機器人輪的半徑，Lwidth B代表父機器人中兩腿之間的寬度，Lwidth R代表子機器人中兩腿之間的寬度，ρL代表父機器人腿與水平線的夾角，ρR代表子機器人腿與水平線的夾角，θ代表父機器人尾巴相對身體的夾角，γ代表子機器人尾部相對身體的夾角，LrwB代表父機器人主體的寬度，Lramp代表父機器人尾部的長度，LhB代表父機器人尾部軸距離連接主體軸的側面高度，L1B代表父機器人尾部水平放置時與旋轉軸的距離，L2B代表父機器人旋轉軸的高度，L3B代表父機器人腿的延伸長度，L4B代表父機器人輪到旋轉軸的距離，LbarR代表子機器人尾部距離旋轉軸之間的長度，LhR代表子機器人主體旋轉軸高度，L1R代表子機器人旋轉軸到具體主體下部分的距離，L2R代表子機器人輪軸的半徑長度，L3R代表子機器人上旋轉輪到旋轉軸的距離，L4R代表子機器人下旋轉輪到旋轉軸的距離。

父機器人系統有一個剛體核心，能夠容納控制器、機載電池和膨脹的機構，這樣就可以改變輪的旋轉軸、高度和寬度。機器人的兩側排列在一起，并相對其中心進行對稱移動，每組支腿都由1 個電機進行驅動。2 個機器人的主要規格參數見表1。

表1 父機器人和子機器人系統的主要規格參數

父機器人系統被設計用于攜帶大量的電池、攝像機、通信設備和其他傳感器，其展開角度可以在-7°～+66°變化。當腿平行于身體時，伸展角度等于0°。父機器人重9.8 kg（包括電池和控制器），其特征長度（后輪軸到前輪軸的長度）為82.5 cm（是子機器人的5.7 倍）。機器人的結構包括主體、2條腿和1 條尾巴，由2 cm×2 cm 的鋁型材組成（線性密度為3.5 g/cm）。主體包括控制器和電池，是1 個22 cm×30 cm 的矩形，由鋁輪廓和樹脂玻璃構成。輪的動力傳動基于滾子鏈，兩邊的3 個輪子都由1 個馬達進行驅動，如圖1 所示。輪的半徑為15.5 cm。父機器人的尺寸為LB=82.5 cm，LrwB=21.1 cm，Lwidth B=5.8 cm，L1B=5.1 cm，L2B=2.7 cm，L3B=42.2 cm，L4B=6.6 cm，LhB=9.1 cm，Ltail=44.0 cm（其中，Ltail代表父機器人的尾部長度，其余參數的含義與圖1 中的參數一致）。

子機器人配備四條擴展機制（FBEM），允許它延長身體和腿之間的距離，并可以在前后和垂直方向移動重心。伸展和擴展機制的結合使其能夠克服極具挑戰性的障礙，靈活地在較光滑的表面爬行，甚至可以在管道或兩面墻之間的垂直方向攀爬。子機器人可以將其高度和寬度延長3 倍，其質量為380 g，其特征長度（后輪軸到前輪軸）為14.5 cm。子機器人的尺寸為LR=14.5 cm，Lbar R=5.0 cm，LhR=1.4 cm，Lwidth R=5.7 cm，L1R=1.4 cm，L2R=2.0 cm，L3R=1.3 cm，L4R=1.6 cm（子機器人尺寸參數的含義與圖2 中的參數一致）。

3 FBEM 機制下機器人的運行學與動態分析

由于子機器人的尺寸較小，因此可以非常有效地越過障礙物，它可以通過采取不同的規劃策略，爬過高達6.5 cm（車輪直徑只有5.6 cm）的陡峭障礙物，以推動蔓延FBEM 機制。機器人可以在一根管子內或兩面墻之間的垂直方向進行攀爬。機器人的寬度和高度可以通過改變展開角度和FBEM角度來改變。用LxR表示鋼筋L1R+L2R+rR的總和，機器人的寬度如公式（1）所示。

式中：Lbat為子機器人尾部距離旋轉軸之間的長度；Lx為父機器人和子機器人鋼筋總長。

公式（1）中其他參數含義與圖1、圖2 中的參數相對應。

圖1 父機器人系統結構（主部分）

圖2 子機器人系統結構（從部分）

FBEM 機制的γ值與展開角度ρR之間的關系可以作為尾LrwL寬度的函數，如公式（2）所示。

機器人的最小寬度為8.9 cm，它對應1 個90°的伸展角。當展開角和FBEM 角都為0°時，它的最大寬度為28.5 cm。子機器人的高度如公式（3）所示。

當FBEM 角為+63°或-63°（其范圍限制）和5°（子機器人仍可以前進的最小展開角度）時，子機器人的最小高度為3.5 cm。

父機器人能夠爬過高為17.5 cm 的障礙物（取決于車輪和障礙物之間的摩擦），并且可以越過石頭、碎石和其他粗糙的表面，而子機器人仍然緊緊地固定在后面。父機器人的寬度和高度是其單獨伸展時的函數，其寬度如公式（4）所示。

它的最小寬度為32.5 cm，展開角度呈66°，而最大寬度為118.0 cm。該機器人的高度hB如公式（5）所示。

尾巴在相對身體θ的方向，可以進行-43°～+76°的變化。其高度hTail是展開角度ρB和尾方向θ的函數，如公式（6）所示。

展開角度為66°時的尾角為76°，尾部最大高度為88 cm，尾巴可以降低到-18 cm（ρB=0 和θ=- 43°），允許子機器人從一個較低的表面爬上父機器人的尾部。

考慮到每個機器人各自能達到的最大高度是6.5 cm 和17.5 cm，2 個機器人的合作使它們可以達到的高度提高了5倍。如果使用一個更長的斜坡，那么可以進一步增加可達到的高度。

子機器人車輪和父機器人尾翼之間的摩擦系數μ=0.8。由于子機器人的重量為380 g，因此必須施加4.9 N 的最小力，作用于伸展和FBEM 接頭的扭矩。最小扭矩作為伸展ρR和FBEM 機制γ角的函數，伸展和FBEM 接頭必須形成這些角，以保持垂直爬墻所需要的4.9 N 的法向力。當機器人與尾巴壁接觸時（尾部寬度為21.0 cm），最小扭矩表示ρR和γ的值。

展開時施加的扭矩幾乎是FBEM 所施加扭矩的2 倍，為了減少每個機構施加的力矩，最好增加斜坡的寬度（零展開和零FBEM）。考慮到斜坡尾翼的寬度（圖1 和圖2 中的黑線）受到機器人尺寸的限制，最佳策略包括使用最大FBEM角（γ=55°）和最小展開（ρ=20°），以此達到2 個接頭的最小扭矩（接近0.20 N·m）。

研究人員讓父機器人在不同的地形上進行測試，包括顆粒狀表面和巖石區域，它可以很容易地攜帶子機器人穿過表面的裂縫。子機器人位于父機器人附近，父機器人被無線電控制，以降低車身和尾部。父機器人驅動器爬上尾部，接著父機器人將身體抬起，繼續在高為42 cm 的圍欄上駕駛。在另一個實驗中，父機器人被部署在高度為72 cm 的圍欄上。父機器人和子機器人可以通過預先編程來控制執行一組特定任務序列，為減低車身和尾部，增加了子機器人的高度，以便子機器人靈活地爬上父機器人。如果要使子機器人爬上父機器人，那么2 個機器人必須對齊。

ESC 控制器記錄父機器人最大速度時的能量消耗，該實驗在3 個不同的表面上進行，同時以3 個不同的伸展角度全速運行機器人。加速后，機器人在每個實驗中運行10 m。

表2 總結了實驗的平均結果（不包括加速度），通過處理實驗視頻和相對標稱電池電壓（7.4 V）的功耗來測量平均速度，COT（或特定電阻）是指功耗除以速度乘以機器人重量的乘積。與預期結果一致，瓷磚上的溫度比泥土上的溫度更低，比草地上的溫度更高，雖然低伸展對上坡和克服障礙很有用，但是由于車輪與表面的摩擦增加，因此會很明顯地導致溫度升高。

表2 機器人的能量實驗結果

4 結語

該文介紹了一種在制造中為滿足協作機器人工作需求的安全機制，稱為FBEM 機制。并分析了FBEM 機制下機器人的運動與動態變化，定量評估了協作機器人在跨越障礙中角度等相關參數。在障礙挑戰下，父機器人與子機器人相互協作，將可到達的高度提高了5 倍，能夠成功地克服障礙。

2 個機器人之間的合作也可以增加它們的工作范圍和偵察區域，因為父機器人的電池容量是子機器人的20 倍，所以父機器人可以被當做機器人的充電點；因為父機器人可以攜帶高達5 kg 的有效載荷（足以使其電池尺寸增加5 倍），所以電池容量可以根據需要進一步擴大。子機器人的電池可以很容易地連接到父機器人，這是因為它可以爬進驅動的尾部。通過該方式可以達到父機器人為子機器人續電的目的。