《International Journal of Advanced Robotic Systems》：Variable admittance contact interaction and safety response control of redundant robot based on force and velocity
编辑推荐：
人机交互（Human–robot interaction）是机器人领域的重要研究内容。为实现人机交互过程中的柔顺性与协作性，研究了人-冗余机器人的变参数交互控制与接触碰撞响应问题。首先，建立了冗余机器人的运动学模型，并以规避关节极限为优化目标，提出了一种基于增
人机交互（Human–robot interaction）是机器人领域的重要研究内容。为实现人机交互过程中的柔顺性与协作性，研究了人-冗余机器人的变参数交互控制与接触碰撞响应问题。首先，建立了冗余机器人的运动学模型，并以规避关节极限为优化目标，提出了一种基于增广雅可比矩阵（augmented Jacobian matrix）的逆运动学算法。然后，建立了人机交互的导纳控制模型，提出了基于力与速度的变导纳控制。通过外力与速度之间的向量积关系判断人的接触意图，调整控制参数以更好地保证人机协作的友好性。当外力施加于机器人时，基于人机交互控制律控制机器人运动，使机器人能够沿力的方向运动，从而实现人机柔顺交互的目标。当外力突然撤除时，通过引入刚度系数，机器人沿力的方向运动后可返回先前施加力时的位置，实现对机器人接触碰撞的安全响应。
人机交互是机器人领域的重要研究内容。与传统非冗余机器人不同，冗余机器人具备更强的协作能力，可根据外部信息与人协作完成复杂任务。在人机交互过程中，如何准确识别人类接触意图并据此调整控制参数，以实现人机协作的柔顺性与友好性，是该领域的核心问题。现有研究存在以下不足：部分方法依赖触觉传感器，成本较高且安装位置受限；多数意图识别方法采用神经网络等智能控制手段，需要大量数据样本且实现较为复杂。为此，本文针对接触交互中的意图理解与柔顺控制问题，提出基于力与运动信息的变导纳控制方法；同时针对机器人接触碰撞响应问题，在控制算法中引入刚度系数，使机器人能够完成回弹任务。该论文发表在《International Journal of Advanced Robotic Systems》。
研究人员以SCHUNK机器人为对象，锁定第4和第6关节使其成为4自由度冗余机器人，开展了系统研究。首先，采用D-H矩阵法（Denavit–Hartenberg matrix method，机器人运动学建模常用方法）建立正运动学模型；以关节极限规避为优化目标，基于梯度投影法提出增广雅可比矩阵的逆运动学算法，充分利用冗余特性优化机器人运动。其次，建立人机交互导纳控制模型，提出基于力与速度的变导纳控制方法，通过外力与速度的向量积判断人体接触意图，实时调整阻尼系数。再次，在交互控制律中引入刚度系数，使外力突然撤除时机器人可回弹至先前接触位置。仿真与实验结果表明，该方法可保证控制参数有效调节，实现柔顺交互；外力突然撤除时机器人能够安全回弹，实现接触碰撞的安全响应。该方法基于机器人本体与交互力信息推断交互意图，避免了对大量数据样本的依赖。
主要关键技术方法：采用D-H矩阵法建立4自由度冗余机器人正运动学模型；以关节极限规避为优化目标，采用梯度投影法构建增广雅可比矩阵实现逆运动学求解；建立变导纳控制模型，通过外力与速度向量积判断接触意图，实时调整阻尼系数；引入刚度系数实现接触碰撞安全响应。通过仿真与实验验证有效性，实验采用三维力传感器采集交互力数据。
仿真结果：设置机器人初始关节角，仿真时间T=10s，控制器参数B=2、K=70、η=0.005。仿真表明，施加外力时机器人可随人手方向运动；t=0~2s外力增大时阻尼系数减小，交互更柔顺；t=2s外力突然撤除后，阻尼系数在x、y、z方向保持恒定（B
x=2.0034，B
y=1.9990，B
z=2.0006），由于刚度系数引入，机器人返回先前接触位置；t=3s外力再次施加，阻尼系数先减小后增大再减小；t=4s外力撤除后，机器人角速度逐渐降至零并停止，实现接触碰撞安全响应。
实验结果：采用三维力传感器，控制器参数B=0.2、K=70，实验时间T=10s。结果显示，外力增大时阻尼系数减小，外力撤除时阻尼系数保持不变且机器人能返回先前接触位置。整个交互过程中交互力小于60N，接触响应时间小于0.1s，机器人运动平稳无振动。关节角误差Δq
i=0.03（i=1,2,3,4），三方向平均运动误差为0.1~0.3mm，满足大多数交互任务的精度要求。
讨论与结论：讨论部分指出，该方法通过机器人本体与接触力信息推断交互意图，无需深度学习等智能方法，实现简单易行；仿真与实验共同验证了变导纳控制参数的有效调节与柔顺交互实现，同时刚度系数的引入使机器人在外力突然撤除时回弹至先前接触位置，保障了接触碰撞安全。研究结论为：本文研究了人-冗余机器人的接触交互控制问题，建立了4自由度冗余机器人正运动模型，提出基于增广雅可比矩阵的逆运动学算法；建立导纳控制模型，提出基于接触力与速度信息的变导纳控制方法，通过力与速度向量积判断人体接触意图并调整控制参数；通过增加刚度系数，机器人可沿力方向运动并返回先前受力位置。仿真和实验结果表明该方法可确保控制参数有效调节，实现柔顺交互；外力突然撤除时机器人因刚度系数回弹至先前位置，实现接触碰撞安全响应。该方法避免了大量数据样本的依赖。
