机器人安全性研究现状及发展趋势<sup>*</sup>
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机器人安全性研究现状及发展趋势
赵京1, 张自强1, 郑强1, 陈殿生2, 桂顺2     
1. 北京工业大学 机械工程与应用电子技术学院, 北京 100124;
2. 北京航空航天大学 机械工程及自动化学院, 北京 100083
摘要: 随着机器人逐渐应用于生产生活的各个领域,安全性也成为了机器人研究的重要方向之一。根据安全性研究目标对象的不同,分别从机器人自身安全性和交互安全性两方面概述了国内外研究现状,分析了机械结构与控制算法对提高机器人安全性所起到的作用。在此基础上,分析了目前研究还存在结构设计过于传统、对突发情况判断能力较弱、复杂条件下控制柔顺性不足等问题,限制了机器人的推广应用。指出了机器人安全性的研究正向着刚柔混合一体化机构、准确快速的环境判断、良好的柔顺控制的方向发展。
关键词: 机器人安全性     自身安全性     交互安全性     结构设计     柔顺控制    
Research status and development trend of robot safety
ZHAO Jing1, ZHANG Ziqiang1, ZHENG Qiang1, CHEN Diansheng2, GUI Shun2     
1. College of Mechanical Engineering and Applied Electronics Technology, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China;
2. School of Mechanical Engineering and Automation, Beijing University of Aeronautics and Astronautics, Beijing 100083, China
Received: 2017-09-11; Accepted: 2017-10-13; Published online: 2017-11-13 13:30
Foundation item: National Natural Science Foundation of China (51475016)
Corresponding author. ZHANG Ziqiang, E-mail:zzq06520011@163.com
Abstract: With the robot gradually used in many fields of production and life, safety has become one of the important research directions of robot. According to different research objects for robot safety, research status of robot safety at home and abroad is expounded from two parts, namely self-safety and interaction safety. The role of mechanical structure design and control algorithms in improving robot safety is analyzed. On this basis, the existing problems, such as too traditional structure design method, weak judgment of unexpected situation and lack of control compliance under complicated conditions, are analyzed, which limit the popularization and application of robots. The development trend of robot safety, such as rigid flexible hybrid mechanism, accurate and fast environment judgment and good compliance control, is proposed.
Key words: robot safety     self-safety     interaction safety     structure design     compliance control    

随着机器人技术的不断发展,机器人逐渐被应用于地面运输、航空及核环境探测、医疗服务等众多领域。与传统的、仅应用于固定环境下的工业机器人相比,现有机器人具有功能多样化、运动环境复杂、智能化程度高、人机交互性强等特点[1]。由于机器人运动灵活性高、工作空间大,且部分机器人具有高刚度、高负载、高运动速度的特点,当其遇到紧急突发情况时,很难像一般自动系统那样通过人工去采取应急的急停措施,这就极易引起重大安全事故,对生命财产造成严重的损害[2-6]。因此,在非结构化及动态环境中的安全性已经成为机器人所应具备的重要性能之一,同时也是机器人在人类生产生活领域应用的首要问题和强制性约束[7]

随着机器人安全性问题的日益突出,许多学者参与制定了机器人安全性标准,以对机器人安全性进行有效评估。例如,ISO 10218即为针对工业机器人所制定的安全标准,其对工业机器人在使用过程中安全判定、风险评估及降低风险的措施进行了详细的说明[8-9]。随着个人护理机器人的发展及与人交互的日益紧密,安全性标准ISO 13482:2014对个人护理机器人安全问题产生的原因及相应的处理措施进行了分析[10]。此外,相关专家制定了协作机器人安全标准ISO 15066:2016,该标准对人机协作过程中的速度和距离监控、压强和力度限制等问题进行了详细的说明,为机器人的安全应用提供了参考[11]。除了工业机器人及护理机器人外,部分学者还对医疗机器人的安全性标准进行了研究[12]。基于上述安全性标准,研究人员还对机器人的故障及安全性评价方法进行了进一步分析。例如,机器人潜在的安全隐患可用故障树分析(Fault Tree Analysis,FTA)方法对故障模式逻辑关系作演绎分析[13-14],通过定性或定量的方法来判断机器人是否处于安全状态。影响及危害性分析(Failure Mode and Effects Analysis,FMEA)也是一种常见的方法,其通过分析元器件的故障模式、故障影响及故障原因,对机器人的安全性进行评估[15]。此外,许多学者还提出了其他机器人安全可靠性的评估方法,以保障机器人的运行安全[16-18]

根据机器人的应用环境与功能需求,其安全性可分为2类:自身安全性和交互安全性。机器人自身安全性是指其在运动过程中不会因为突发情况造成机器人本体的损坏。该类安全性研究的对象集中在机器人本身,主要研究机器人尚未与周围环境发生接触碰撞前对自身安全的保护。随着工业机器人、服务机器人的快速发展,机器人不可避免地会与周围环境发生交互,这不仅要求机器人能够保证自身安全运行,还需要保证其在与周围物体或人发生交互时,不会对其造成伤害,这就需要进一步对机器人交互安全性进行研究[19-21]。交互安全性侧重于同时考虑机器人和人的安全性,是机器人即将或已经与周围人员发生接触后所采取的保护性措施。

在安全保护方式方面,由于普通人的反应时间大多为0.15~0.40 s[22],所以当系统出现故障时,依靠人来解决安全性问题是不实际的。机器人最初多通过安全保护结构(如离合器、限位机构等)以提高其安全性。随着机器人应用环境的复杂程度不断提高,新型的控制方法被逐渐应用于机器人安全性研究中,并通过机械机构与新型控制算法的共同作用,最终保证机器人的安全性。

目前,许多学者已经针对机器人安全性这一问题展开了研究,并取得了一系列的成果[1, 23]。本文从机器人自身安全性及交互安全性2方面详细阐述了国内外研究现状,并从机械结构和控制算法2方面分别阐述了现有技术的发展历程。在此基础上,分析了机器人安全性研究目前存在的问题及未来的发展趋势。

1 机器人自身安全性 1.1 基于机械结构的自身安全性

机械结构是机器人设计的基础,同时也是实现机器人安全性的重要方式,可以使得机器人在突发情况下具有限位、急停等功能。相对于电气保护而言,安全结构具有可靠性高、响应时间短的特点,从而起到安全保护的作用。

Choi等[24]提出了一种具有安全关节和多自由度重力补偿装置的机械臂结构,如图 1所示。安全关节(弹簧离合器)是由弹簧、凸轮和一个关节扭矩传感器组成,当施加的扭矩低于预先设定的阈值时,弹簧离合器作为输入和输出之间的刚性连接;当施加的扭矩超过阈值时,弹簧离合器释放,关节变为自由转动关节。由于关节扭矩与机械臂姿态直接相关,因此具有恒定阈值的弹簧离合器不能够最大限度地保证使用的安全性。为解决这一问题,研究人员设计了一种重力补偿装置,以进一步保证机器人运动的安全性。考虑到弹簧离合器尺寸较大,不适合应用于机器人关节,吕宁[25]提出了一种新型的关节保护模块,如图 2所示,其包括动力输出模块、动力传递模块、接口模块3部分。当电机的速度有较大突变或外负荷过载时,关节模块的下接口会有脱离上接口的轴向位移,当接口模块分离到一定程度时,放置在下接口下端的电机急停按钮会被触发,电机停止运转,从而实现安全保护功能。徐丰羽等[26]针对缆绳监测机器人,提出了一种基于反电动势理论的安全节能回收方法,应用曲柄滑块驱动气缸设计了气体阻尼机构。实验表明,气体阻尼下降是一种机械式的下滑方式,其具有很高的可靠性,可以确保机器人在发生电气故障时的安全性,避免很大的速度冲击对机器人造成损坏。

图 1 具有弹簧离合器和重力补偿装置的机械臂结构[24] Fig. 1 Structure of mechanical arm with spring clutches and gravity compensator[24]
图 2 关节模块整体结构[25] Fig. 2 Overall structure of joint module[25]

通过机械结构保证突发情况下的安全性是机器人设计中较为常见的思路。该类方法几乎不考虑环境因素的影响,只考虑机器人在特定条件下是否能够实现急停等运动。安全保护结构增加了机器人的复杂程度,且该类装置大多仅能应用于机器人内部某一零部件的安全性,当机器人整体结构遇到突然状况时,很难通过机械结构进行安全保护。

1.2 基于控制算法的自身安全性

目前,人-机混合系统逐渐在中小型企业得到广泛应用,大大提高了车间的加工装配效率,但周围复杂的环境对机器人的安全性带来了新的挑战[27-29]。当机器人遇到紧急情况时,多需要通过控制算法避免风险。该类方法主要考虑到环境特征,研究对象包括2类:机架固定的机器人和可自由运动的移动机器人。此外,安全性的实现还需要与传感器进行配合,以实时对周围环境和机器人运动数据进行监测。相比较通过机械结构实现机器人安全性而言,该类方法应用范围更广、适用性更强。

为避免机器人与周围物品发生碰撞,研究人员对安全性影响因素进行了分析。例如,文献[30-31]提出了机器人非接触条件下的危险指数,可表示为

(1)

式中:fDfVfI分别为机器人与周围环境的距离、机器人相对运动速度和运动惯量,这也是影响安全性的3个重要因素。危险指数越高,机器人越容易与周围环境发生碰撞,机器人的潜在安全风险越高。Lacevic等[32-33]通过分析机器人的构型和速度,指出了影响安全性的因素及避免措施。

对于工业机器人而言,其机架位置固定不动,因此,安全性指标体现在能够完成既定任务的同时,不会由于与周围物体发生碰撞而影响其安全性,而研究的核心是保证机器人末端与周围环境的相对距离。这就需要机器能够通过轨迹规划以实现避障[34]。针对这一问题,德国的Gecks和Henrich[35]为避免机器人与人发生碰撞,在工作区域设置多台摄像机(见图 3),通过差分图像法对摄像机采集的图像进行处理,以此检测障碍物的位置。当检测到障碍物时,机器人运动路径则相应的改变,该算法通过图像处理实现机器人的高效避障,最终实现了机器人的运动安全性。意大利的Pedrocchi等[36]根据传感器融合技术,在对周围环境信息进行采集的基础上,提出了能使人与机器人实现安全空间共享的控制算法。该技术依托于安全的网络环境,可使得机器人在运动过程中根据环境实时规划运动轨迹,避免发生碰撞。Polverini等[4, 37]综合考虑了机器人及人的位置、速度等因素的情况下,提出了一种安全性评价原则,并对机器人避障控制算法进行了研究。此外,加拿大的Najmaei和Kermani[38]、意大利的Calinon等[39]也提出了相应的控制策略,以避免机器人与人发生碰撞。

图 3 人-工业机器人交互环境[35] Fig. 3 Human-industrial robot interactive environment[35]

在国内,祁若龙等[40]提出并实现了在关节空间内基于遗传算法的轨迹避障方法,最终得到了一条速度和加速度连续、关节扭矩不超过机器人关节扭矩极限、关节和末端运动行程较短、运动时间较短,并且能够使整个机械臂成功避开障碍的一条理想轨迹,如图 4所示。台湾大学Lo等[41]采用了虚拟阻抗控制算法,实现了机器人有效避免碰撞。除了刚性单一机械臂避障运动外,部分学者还对柔性机械臂[42]、双机械臂[43]的避障方法进行了研究。

图 4 机械臂避障实验运动过程 Fig. 4 Motion process of obstacle avoidance test of mechanical arm

上述算法均能够实现机器人的避障,保证自身安全性。但更多的考虑了机器人与障碍物的相对距离,对于包含有相对速度、运动惯量以及环境意图识别的安全性综合控制算法还有待于进一步研究。

除了机架固定的机械臂系统,近年来,移动机器人已经越来越多地出现在日常生产生活中,如家庭护理、工业物流等,其使用特点与工业机械臂相差较大,安全性需要进一步进行分析[44-46]。该类安全性主要是指机器人在移动过程中不会与环境中的物品发生碰撞,这就需要解决精确的环境建模、机器人自定位以及基于障碍物的路径规划3个问题[47]。而上述技术的实现都是基于良好的环境感知,包括信息拼接、特征提取等。例如,意大利的Meddahi和Chellali[48]提出了一种基于实时粒子群算法的移动机器人控制多目标优化方法,该方法可以保证机器人在执行任务的同时实现实时避障。国内,黑龙江工业学院的Du等[49]设计了一种基于遗传算法的安全巡逻机器人路径规划算法,该算法具有很强的鲁棒性,可以减小移动机器人定位精度敏感性高、对环境信息的依赖性强等缺点,其路径规划的仿真结果如图 5所示。为了适应火场侦察的要求,上海交通大学的钱钧等[50]针对消防侦察机器人提出了自动回撤算法。当无线通信中断后,机器人可根据侦察过程中记录的传感器数据,快速、精确地自动回撤到运动的起始位置,保证了运动的安全性。考虑到单个超声传感器只能探测一定方向范围内的障碍物,不能发现其他方向上的障碍物[51-52],且由于幻影的存在,极易导致机器人对障碍物距离判断发生较大偏差,从而影响运动安全性[53-54],刘喜昂和周志宇[55]提出了基于多超声传感器的机器人安全避障技术,从而获得了良好的实验结果,其避障轨迹如图 6所示。

图 5 移动机器人路径规划的仿真结果 Fig. 5 Simulation results of mobile robot path planning
图 6 机器人避障轨迹 Fig. 6 Obstacle avoidance trajectory of robot

上述研究分别对机架固定的机械臂和移动机器人的安全避障方法进行了阐述。然而,对于可移动机械臂,其既具有灵活的移动底盘,又具有多自由度机械臂[56],大大增加了机器人的灵活性,对其运动安全性也提出了新的要求[57]

除了常见的机械臂及移动机器人外,特种作业机器人由于特殊的结构形式及工作环境,其安全性也具有新的特点。例如,Schmidt和Berns[58]采用负压吸附和驱动系统相结合的方法,分析了爬壁机器人的运动安全性问题。王太勇等[59]将冗余控制理论应用于负压式壁面爬行机器人的真空吸附系统中,提出了一种双真空泵冗余系统以提高其安全性。

上述研究均通过控制与感知策略实现了机器人的自身安全性。而随着机器人工作环境复杂程度的不断提高,如障碍物不再为静止物体且数量较多,通过控制算法实现机器人安全性的难度也不断增加。这就要求进一步使得机器人具有智能化程度高、运动精度高、环境感知能力强的特点。

无论是通过机械结构保证机器人安全性,还是通过控制策略实现机器人安全性,研究的目的均是防止机器人在突发情况下由于过载、超过运动极限、与周围环境发生碰撞而对机器人自身造成损害。然而,当机器人不可避免地与人发生交互甚至接触时,机器人应能够避免或减小碰撞冲击力,或进一步解除人-机之间的约束力,从而保证接触交互的安全性。

2 机器人交互安全性 2.1 基于机械结构的交互安全性

医疗康复机器人是典型的人-机一体化系统,机器人通过与患者肢体直接接触,带动患者实现康复训练。因此,保证人-机接触安全性是康复机器人研究的重要目标之一。由于人体肢体运动规律较为复杂,康复机器人不可避免地会与人体运动规律产生差异,这会使得康复运动过程中机器人与患者肢体产生干涉现象,从而对患者造成不必要的伤害,严重影响交互安全性[60]。许多科研人员通过结构设计减小或解除了人-机之间的干涉,实现了灵活的运动。Dehez等[61-62]设计了一种肩关节康复机器人,如图 7所示。该机器人没有采用机械关节与人体关节一一对应的设计方法,而是将2个主动关节通过多个被动关节与人体相连,并以此对机械结构进行优化分析,提高了人-机交互的安全性和运动的灵活性。李剑锋等[60, 63]通过分析康复机器人的结构形式对安全性与舒适性的影响,从人-机相容性的角度对机器人机构进行了构型综合,通过在人-机连接位置添加被动关节以解除人-机之间的消极约束(见图 8),得到了所有能够满足人-机相容性及运动安全性的机器人构型及机构中运动副的约束条件,并对运动性能进行了分析,最终实现了运动的安全性。然而,上述设计方法主要应用于康复机器人系统,但设计增加了结构的复杂程度,且对控制精度存在较大的影响。该方法仅适用于人-机持续接触过程,无法在突发情况下人-机接触时保证运动的安全性。

图 7 具有被动关节的肩关节康复机器人 Fig. 7 Shoulder joint rehabilitation robot with passive joints
图 8 基于安全性的上肢外骨骼机构设计 Fig. 8 Mechanism design of upper-limb exoskeleton based on safety

考虑到刚性结构柔顺性不足且在使用过程中易使患者受到二次伤害,科研人员逐渐将柔性结构应用于康复机器人领域,以通过结构的柔性变形实现康复运动的安全性。例如,哈佛大学Wyss实验室研发了一款基于硅橡胶材料的软体结构型手功能康复机器人,如图 9所示,通过给各手指软体结构的气腔充放气体来实现其弯曲与伸展,从而带动手指完成康复动作[64-65]。2015年,新加坡国立大学设计了一款可穿戴软体康复手套,如图 10所示,可实现握拳、勾拳等多种手部姿态,该康复手套不仅可以更好地贴合手指轮廓,而且可以实现不同手指尺寸的个性化定制[66]。上述柔性结构的设计大大提高了老年人使用的安全性。然而,该类柔性结构存在刚度较低、控制精度不足等问题,有待于进一步解决。

图 9 手功能软体康复机器人 Fig. 9 Hand soft rehabilitation robot
图 10 康复手套 Fig. 10 Rehabilitation gloves

机器人除了抓取动作外,与周围环境的接触更多属于瞬间接触碰撞。机器人应在意外地与周围物体发生碰撞时,能够在第一时间对碰撞进行化解,保证机器人及人的安全性。根据机器人与人体撞击时手臂刚度与头部受伤程度的关系曲线可知[67-68],发生碰撞的瞬间接触刚度越大,则所受到的冲击载荷越大,因此,保证交互安全性最有效的方法为降低机器人的结构刚度,使得机器人具有良好的柔顺性。例如,Wolf和Hirzinger[69]设计了一种变刚度关节,具有质量轻、结构紧凑、功能强大的特点,如图 11所示。通过调整关节凸轮的姿态,机械臂可实现良好的被动柔顺性,这使得机器人与人发生碰撞后有良好的缓冲性能,且能够大幅降低扭矩峰值,提高机器人使用的安全性。此外,Morita和Sugano[70]、Pratt和Williamson[71]也对变刚度关节进行了研究。

图 11 变刚度机器人关节 Fig. 11 Variable stiffness robot joint

部分科研人员还采用了增加接触面弹性(降低接触刚度)的方法,通过在机器人连杆上包裹一层黏弹性材料[72-74],以提高人-机接触的安全性。黏弹性材料包裹机械臂连杆不仅可以大幅降低撞击时的接触力,而且由于黏弹性材料与人体接触面积变大,伤害程度会进一步降低[31]

采用软体或弹性结构能够有效地减少冲击力,提高机器人的交换安全性,但接触力和接触刚度难以精确控制,定量对接触过程进行分析的难度较大。

2.2 基于控制算法的交互安全性

对于应用于家庭护理等领域的机器人,由于其与人的交互更加频繁(如需要给使用者抓取物品等[21]),机器人不仅要能够在工作空间内避免碰撞,还需要能够避免对使用者产生潜在危害,这就需要进一步考虑机器人的惯量及刚度等因素对安全性的影响,通过控制算法保证人机交互的安全性。针对这一问题,加拿大的Kulic和Croft[75-76]综合考虑机器人的运动惯量、质心位置及运动速度,提出了一种基于最小化危险标准的提高人机交互安全性的方法。通过最小危险化标准可以在运动规划阶段控制机器人的构型,以减小机器人与人发生碰撞的概率。图 12为机器人的2种构型,如果采用普通的轨迹规划方法,则机器人多处于高惯性构型(见图 12(a)),若使用者在人-机混合空间内移动,很容易发生碰撞风险。利用Kulic和Croft[75-76]提出的方法,机器人在与人交互时处于低惯性构型状态(见图 12(b)),人-机交互的安全性能得到了提高。吴海彬等[77]基于人机之间的距离、机器人惯量、人机之间相对运动速度等因素,对每一阶段进行危险程度的评估,得到危险指数,以危险指数最小化为目标规划各阶段机器人的运动,可以有效确保人在机器人工作环境中的安全性。清华大学的Liu等[78]提出了一种将移动障碍物映射到C空间的机器人规划方法,以实现在变化环境中人臂与机械臂之间的安全交互,有效保证了运动的安全性。

图 12 人-机安全交互过程 Fig. 12 Human-robot safe interaction process

当机器人与人发生接触时,需要进一步通过控制算法保证交互安全。例如,韩国的Oh等[79]提出的一种频域阻抗控制(FISC)方法、Sharifi等[80]提出的无模型阻抗控制的方法都可以较好地实现接触的安全性。而对于大部分控制算法而言,其控制对象多为变刚度柔性驱动器,控制的主要目标为机器人的接触刚度。

柔顺驱动器是相对于刚性驱动器而言的,其在外力作用下可偏离平衡位置,实现了机器人在运动过程中的刚度可调,使得机器人在运动过程中具有良好的柔顺性[81-82]。变刚度驱动器结构本身为柔性结构,通过驱动元件进行配合。一般情况下,变刚度驱动器机械结构多采用弹簧装置,可通过改变弹簧的压缩量来对刚度进行调节[83]。此外,还有学者采用改变弹簧与负载传动比[84-85]或增加阻尼结构等原件的方式来对驱动器的刚度进行调节[86-87]

串联弹性驱动器(Series Elastic Actuator, SEA)是一类常见的弹性驱动器,许多学者从弹性元件、机构设计、驱动方式、运动性能等方面对其进行了相关研究。例如,Kong等[88]针对机器人与人体之间的交互,设计了一种转动串联弹性驱动器,并对其控制算法进行了研究,使得串联弹性驱动器在变化的条件下产生精确的扭矩。通过实验可知,该弹性驱动器能够产生可变的刚度并能够对扭矩进行精确控制。此外,Kong等[89]为了适应肢体辅助机器人空间有限的特点,设计了一种用于膝关节辅助运动的紧凑型串联弹性驱动器,如图 13所示。在考虑摩擦影响的前提下,提出了一种鲁棒控制算法,以保证非线性条件下对扭矩的精确控制,实验证明了该驱动器设计的有效性。

图 13 用于膝关节辅助运动的紧凑型串联弹性驱动器[89] Fig. 13 Compact series elastic actuator designed for assisting knee joint motion[89]

Tonietti等[90]设计了一种变刚度驱动器,如图 14所示,其通过改变弹簧压缩量来改变关节刚度。通过实验可知,该设计可大大降低机器人在快速运动过程中对周围使用人员产生伤害的风险,保证了使用的安全性。在此基础上,Bae等[91]针对现有驱动方式扭矩的精确控制较难、控制影响因素较多等问题,提出了一种针对变刚度驱动式的非线性控制算法,以实现精确的扭矩控制,并采用边界层平滑的滑模控制方法提高了模型不确定性的鲁棒性,且无抖振现象,将该变刚度弹性驱动器控制算法应用于膝关节矫形器上,通过实验证明了算法的可行性。Choi等[92]设计了一种变刚度关节,该关节包括板簧和2个驱动器,如图 15所示。2个驱动器连接在弹簧上,通过改变弹簧的有效长度以改变机构的刚度,实现机器人的柔顺性。在此基础上,研究人员还提出了一种控制算法,通过非线性控制器以有效地对关节位置进行控制。实验表明,机器人关节的刚度和位置可单独控制,且该设计有效地提高了使用的安全性。此外,Paine[93]、Tsagarakis[94]等也对柔性驱动器及控制算法进行了研究。

图 14 变刚度驱动器[90] Fig. 14 Variable stiffness actuator[90]
图 15 具有4个板簧的变刚度机器人关节 Fig. 15 Variable stiffness robot joint with four leaf springs

通过上述方法,可以在机器人与周围环境发生接触时减小或解除约束力、改变接触刚度,以保证交互运动的安全性。但接触刚度及交互力的精确控制还有待于进一步提高,变刚度关节及变刚度驱动器的设计方法还需要进一步明确。

3 存在问题及发展趋势

目前,国内外学者从机械结构、控制算法等方面对机器人安全性开展了相关研究,以保证机器人在突然情况下自身运动安全及周围使用人员的人身安全。然而,随着机器人在生产生活中的逐渐普及,机器人安全性的研究还存在以下几个问题:①机器人安全结构设计方法有待提高。目前,机器人多通过刚性结构以应对自身运动安全,并通过弹簧-阻尼等系统保证人-机接触安全性。然而,该类安全机构普遍存在结构复杂、质量较大、缺乏系统的设计方法等问题,在保证了机器人安全性的同时,限制了机器人向着轻量化、小型化方向发展的趋势。②机器人对突发情况的判断能力有待提高。随着机器人应用领域的不断拓展,机器人已经逐渐应用于医疗卫生、军事侦察、救援救灾等领域,机器人运动环境也由原有的简单的结构化环境向着复杂多变的非结构化环境发展。这就要求机器人能够对复杂工作环境下的突发情况进行高效精准的判断,并作出快速的响应,为机器人的有效应对提供条件。虽然有学者已经对机器人环境识别进行了深入的研究,但判断精度和速度以及与安全性措施的协调配合还有待于进一步提高。③柔顺控制算法需要进一步深入研究。目前,柔顺控制还存在接触刚度精度不高、控制目标单一等问题,人-机交互柔顺控制机理有待于进一步研究。

根据国内外研究现状,机器人安全性的研究向着以下3个方面发展:

1) 微小型化的刚柔耦合一体化安全结构。随着材料科学、仿生学的不断发展,安全结构应逐渐向着刚柔耦合一体化结构方向发展,既能够保证机器人具有一定的刚度,又能够保证机器人具有良好的柔性,并具有小型化、轻量化的特点。最终通过研究形成系统的安全结构设计方法。

2) 准确、快速的环境判断及反应能力。机器人应能够实现多传感器信息有效融合,对动态环境信息进行快速、准确的判断,以保证机器人不会因为判断失误而对机器人的安全性造成威胁。并将外部信息与安全系统有机结合,实现机器人安全的运动。

3) 智能化的柔顺控制系统。柔顺控制算法将进一步建立准确的数学模型,实现精确的刚度及交互力控制;进一步面向复杂环境及多任务空间,通过与安全结构、传感器高度融合,综合考虑机器人速度、构型、惯量、位置等多安全目标,形成完善、高效的突发情况处理机制,切实保证机器人运动安全性。

4 结论

1) 机器人的安全性可分为自身安全性和交互安全性2方面。本文从上述2点较为全面地综述了国内外研究现状,并从机械结构和控制算法2方面阐述了保证机器人运动安全性的方法。

2) 对目前机器人安全性研究存在的问题进行了阐述,并指出机器人安全性的研究将向着微小型化的刚柔耦合一体化的安全结构、准确快速的环境判断和反应能力以及智能化的柔顺控制系统3个方向发展。这为后续机器人安全性研究提供了参考。

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http://dx.doi.org/10.13700/j.bh.1001-5965.2017.0568
北京航空航天大学主办。
0

文章信息

赵京, 张自强, 郑强, 陈殿生, 桂顺
ZHAO Jing, ZHANG Ziqiang, ZHENG Qiang, CHEN Diansheng, GUI Shun
机器人安全性研究现状及发展趋势
Research status and development trend of robot safety
北京航空航天大学学报, 2018, 44(7): 1347-1358
Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronsutics, 2018, 44(7): 1347-1358
http://dx.doi.org/10.13700/j.bh.1001-5965.2017.0568

文章历史

收稿日期: 2017-09-11
录用日期: 2017-10-13
网络出版时间: 2017-11-13 13:30

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