基于分布式惯性测量单元（IMUs）的电缆驱动分段连杆机械手的同步形状测量与碰撞检测

《Measurement》：Simultaneous shape measurement and collision detection of a cable-driven segmented linkage manipulator based on distributed IMUs

　　• 分段级IMU感测能够实现对CDSLM的形状测量。• 远端IMU测量累积的段方向信息，用于形状重建。• 通过IMU的角速度、加速度和方向变化检测瞬态碰撞。• 轨迹跟踪和碰撞触发避让已通过实验得到验证。

引言
缆索驱动的冗余机械手（CDRM）由于其独特的优势而受到越来越多的关注[1]、[2]。与传统刚性机械手相比，CDRM具有串联连接的2自由度关节和更短的连杆，具有更高的自由度、更大的运动灵活性、较高的长度与直径比、机电分离以及一定的柔顺性[3]。目前，CDRM已应用于航空航天[4]、核电维护[5]、灾害救援[6]、医疗设备[7]和飞机发动机检查[8]等多个领域。与缆索驱动的连续体机器人（CDCR）相比，CDRM具有更大的负载能力、更大的工作空间以及更明确的运动学和动力学特性，使其适用于不同的应用场景[9]。最近，开发了一种新型的缆索驱动分段连杆机械手（CDSLM），该机械手增加了各个段的长度和运动范围。这种改进扩展了机械手的整体工作空间，在保持每个段内恒定曲率弯曲的同时减少了驱动模块的数量。因此，CDSLM展示了出色的性能和广泛的应用前景[10]、[11]。
在测量领域，类似传统的关节式机械手，许多CDRM在关节内部安装了角度编码器以实现自我测量和闭环控制[12]、[13]、[14]。然而，这种测量方法在应用于CDSLM时存在一些限制。首先，CDSLM包含大量关节，需要相同数量的关节编码器[15]，这增加了系统成本。其次，高精度编码器由于其体积庞大，在关节内部占用较多空间，与CDSLM的纤细设计相冲突。当CDSLM的直径减小到一定程度时，可能无法找到合适的编码器。正如Liu等人[16]和Huang等人[17]所报道的，装有编码器的机械手比没有编码器的机械手厚一倍，而后者只能进行开环控制。最后，编码器只能提供有关CDSLM本身的信息，缺乏外部检测能力，这在复杂环境中可能带来安全隐患。需要指出的是，这里讨论的基于编码器的方案主要指的是嵌入在连杆段十字轴关节中的关节侧编码器，而不是安装在驱动箱中的电机侧编码器。电机侧编码器可以记录执行器的旋转并估计输入侧的缆索位移，但它们不能直接测量连杆段内部子关节的实际旋转。在CDSLM中，从执行器运动到段方向的映射受到缆索摩擦、滞后、弹性变形和被动连杆误差的影响。因此，电机侧编码器的反馈不能完全替代直接的关节侧测量或远端段方向测量。
为了解决CDSLM的测量挑战，我们首先研究了类似机械手中常用的测量方案。一些缆索驱动的机械手使用光纤布拉格光栅（FBG）进行精确形状测量[18]、[19]和外部力测量[20]。然而，CDSLM的体积较大，需要更多更长的光纤，从而导致成本较高。其他缆索驱动的机械手采用基于视觉的测量方法[21]、[22]、[23]，但在复杂环境中，如果相机和标记之间存在障碍物，外部和机载相机都容易受到遮挡。
IMU是一种广泛使用的传感器，主要用于车辆和机器人中的方向测量和惯性导航[24]、[25]。在机器人领域，Xu等人[26]和Lapusan等人[27]探索了使用IMU或其阵列来测量机械手的关节角度和速度。然而，他们的方法需要在机械手的每个连杆上固定IMU，如果直接应用于CDSLM，则仍需要安装大量IMU。此外，由于IMU集成了陀螺仪和加速度计等多种传感器，一些研究利用这些传感器的信号变化来检测机械手[28]或人手和脚[29]、[30]上的碰撞和接触。通过使用神经网络或其他方法训练模型后，检测成功率可以超过90%。
专用力传感器（如六轴力/扭矩传感器）通常安装在机械手上，但由于其体积较大，主要用于刚性关节式机械手[31]。此外，还有基于力敏电阻器的电子皮肤，这也基于力-电信号转换原理。He等人将它们应用在机械手的连杆上，并将其应用于人机协作场景[32]。
表1提供了这些测量方法的比较，包括准确性、传感器尺寸以及在CDSLM上可能的安装形式等。表中的一些数据来源于传感器制造商或根据现有研究进行转换和计算。
受上述见解的启发，我们提出了一种使用分布式IMU的CDSLM新测量方案，以实现机械手的同步形状测量和碰撞检测。与现有的测量方法相比，这种IMU测量系统需要的传感器较少，占用的空间更小，且不需要视野。本文的主要贡献总结如下：
1) 提出了一种基于分段级IMU的方向测量方法，用于CDSLM。通过在每个连杆段的远端安装一个IMU，可以直接测量内部子关节的累积远端方向，并结合运动学模型进行分段级形状重建。
2) 基于同一组IMU信号开发了一种分段级瞬态碰撞检测方法。利用碰撞前后角速度、加速度和方向的突然变化来识别接触的段并估计碰撞方向。
3) 在三段CDSLM原型上进行了实验，包括段角度测量、闭环控制、轨迹跟踪、碰撞识别以及在圆周轨迹跟踪过程中的接触触发避让。结果验证了所提出的分段级IMU感测方法在形状测量、轨迹跟踪、瞬态碰撞感知和碰撞触发安全响应方面的有效性。
本文的其余部分组织如下：第2节简要介绍了CDSLM的机械结构和运动学建模。第3节描述了基于IMU的测量系统设计以及在理想条件和连杆误差条件下的关节角度估计方法。第4节介绍了用于检测碰撞方向、接触位置和粗略碰撞强度的基于IMU的算法。第5节介绍了基于IMU感测系统的CDSLM的运动控制和碰撞触发柔顺避让策略。第6节对所提出的测量方法和算法进行了实验验证。第7节总结了本文。

CDSLM的机械结构
CDSLM由一个驱动箱和多个相同的连杆段组成。以三段配置的CDSLM为例，其结构如图1(a)所示。每个连杆段由三根驱动缆索驱动，如图1(b)所示，并内部由四个十字轴关节连接。然而，由于连杆缆索的限制，该段仅表现出两个自由度。
在每个段内，连杆缆索连接...

IMU的放置和方向转换
我们首先考虑IMU测量阵列的布置。IMU可以相对容易地测量单个关节或十字轴关节的角度。然而，将这种方法应用于CDSLM需要大量的IMU，从而导致与当前基于关节编码器的感测方案相同的可扩展性和成本挑战。由于机械手在室内环境中的小尺度往复运动，通过IMU获取 accurate 位置信息是非常不切实际的...

基于IMU的CDSLM碰撞检测
当关节侧状态、电机扭矩和可靠的动态模型可用时，基于模型的碰撞检测对于传统的刚性工业机器人是有效的。然而，将这种策略直接应用于CDSLM是具有挑战性的，因为电机侧信号需要通过螺旋驱动的线性模块、长距离的布线缆索和被动连杆机构才能到达接触段。缆索摩擦、滞后、弹性变形、通过多个孔的布线以及...

基于IMU感测的CDSLM控制应用
本节简要描述了如何在CDSLM的控制框架中使用IMU感测结果。测量到的段方向用于闭环运动控制，而检测到的碰撞信息用于生成接触后的短期避让响应。控制器设计遵循传统的闭环运动控制和第二阶响应原理。因此，本节重点介绍IMU感测结果与控制之间的接口...

实验设置
为了验证本文提出的算法，我们构建了一个三段六自由度的CDSLM原型用于实验。其结构和传感器安装如图13所示。该机械手的总长度为1.6米，直径为106毫米，由9个MAXON RE40电机驱动。整个机械手由三个连杆段组成，每个段包含四个十字轴关节。因此，在原型中安装了24个角度编码器进行比较，而仅安装了3个IMU...

结论
本文提出了一种基于分布式IMU的感测方法，用于CDSLM的同时分段级形状测量和瞬态碰撞检测。与关节侧编码器测量不同，所提出的方法在每个连杆段的远端安装一个IMU，以直接测量内部耦合子关节的累积输出方向。借助运动学建模和迭代雅可比伪逆方法，可以获取相邻段之间的相对方向...

CRediT作者贡献声明
Zhao Shangyu：方法论。Huang Peisheng：数据管理。Xu Wenfu：监督。Yan Lei：写作 - 审稿和编辑。Kang Peng：写作 - 审稿和编辑。

利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢
本研究得到了国家自然科学基金（项目编号62573160）、广东省深圳孔雀创新团队计划（项目编号KQTD20210811090146075）和深圳市基础研究计划（JCYJ20241202123724032）的支持。

Zhao Shangyu | Huang Peisheng | Xu Wenfu | Yan Lei | Kang Peng