周永燦952221E033016

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Unformatted text preview: 附件一 行政院國家科學委員會補助專題研究計畫 成果報告 □期中進度報告 以虛擬感應器提昇人機互動之安全性 計畫類別:■ 個別型計畫 □ 整合型計畫 計畫編號:NSC -2221-E -033-016- 執行期間: 95 年 08 月 01 日至 96 年 07 月 31 日 計畫主持人:周永燦 共同主持人:黃惠民 計畫參與人員:蔣至城、陳旻廷、張哲銘 成果報告類型(依經費核定清單規定繳交):■精簡報告 本成果報告包括以下應繳交之附件: □赴國外出差或研習心得報告一份 □赴大陸地區出差或研習心得報告一份 ■出席國際學術會議心得報告及發表之論文各一份 □國際合作研究計畫國外研究報告書一份 □完整報告 處理方式:除產學合作研究計畫、提升產業技術及人才培育研究計畫、 列管計畫及下列情形者外,得立即公開查詢 □涉及專利或其他智慧財產權,□一年□二年後可公開查詢 執行單位:中 原 大 學 中 華 民 國 96 年 09 月 03 日 中文摘要 由於科技的進步,加上全球人口結構的改變與高齡化社會的產生,人類的生活型態將有顯 著的改變,機器人的應用,可預見的將會是全球未來發展的趨勢。根據預測,在服務用機 器人中,居家照護機器人將會是明日之星,因居家照護機器人在高齡化社會的趨勢下,勢 必越來越受到人們的重視。此類機器人在使用方式與工業用機器人最大差異在於與人類直 接接觸,因在其功能的設計上必須做到,不管任何情況下都不能傷害到使用者。本研究將 以人因工程之角度針對非期待性障礙物,也就是移動的障礙物與人機接觸時之安全性提昇 做進一步之研究。 本計畫旨在發展一利用電腦軟體功能導向而且結合人因工程概念的機器人自動控制策略, 而本計畫之控制器的主要設計概念基本上根據加速度反饋之慣量縮減和非時間函數機器人 路徑規劃概念來規劃機器手臂之移動路徑。此一控制方式能使人員和機器人安全的在同一 工作空間、同一工作平台而且同時工作,其主要特點在於一特定任務中,人員可以暫時用 手停住運動中的機器手臂,此時,此一系統仍然保持穩定狀態且不會累積能量或產生震動。 利用動態的扭矩控制和關節加速度反饋之運算,此一系統之慣量矩陣可以被部份補償或抵 消,整個機器人系統的運動方式也會變得如一輕盈物件運動一般,加上非時間函數機器人 路徑規劃,系統之穩定性與人員安全可以獲得保証。此外本系統也提供了一種機器人避開 非期待性物體或障礙物之新觀念。本計畫將包含控制方程式推導與電腦程式之模擬。 關鍵詞: 人機互動、居家照護機器人、安全性、加速度反饋之慣量縮減、非時間函數機器 人路徑規劃。 英文摘要 In the past few years service robots have begun to be used in our life on a regular basis. According to the expectation, the service robots which are to be used in household and personal service will become the super stars in the near future because of the huge change in our society. Then, the safety issue becomes the main concern during the human-machine interaction. This research proposes to develop a new control strategy, a software approach, in the area of human-robot cooperation: A human-robot interactive control that enables robots and humans to work together in the same workspace. The important issue of human-robot interaction is how to control and plan a robotic operation such that the human and the robot can cooperate in a complementary and safe manner. For example, in certain tasks, when a human temporarily holds the robot’s arm, the system in motion should remain stable and should not accumulate torque. The key concept of the proposed controller is based on acceleration feedback and time independent path planning with actual position feedback. By using active torque control with joints acceleration feedback, the inertia matrix of the system can be compensated and the whole system becomes lighter than it really is. With time independent path planning, it guarantees that error will not be increased when a robot is held. Furthermore, the proposed controllers provide a new idea for obstacle avoidance and for contact with unknown environments. This study includes the development of the proposed control strategy and computer simulation studies. Keyword: human-machine interaction, household robots, safety, acceleration feedback inertia reduction, time independent path planning. 1. 前 言 根據 2005 年 11 月經濟部工業自動化電子化季刊指出, 「過去十年,許多攸關機器 人發展的科技如人工智慧、感測技術等有重要進展,更驅動服務用機器人世代的來臨, 許多先進國家對此抱持樂觀的期待。」也就是說由於科技的進步,加上全球人口結構的 改變與高齡化社會的產生,人類的生活型態將有顯著的改變,服務機器人的應用,可預 見的將會是全球未來發展的趨勢。 大致而言,機器人可分為工業用(Industrial Robots)和服務用(Service Robots)兩大 類,根據國際機器人協會(International Federation of Robotics, IFRs)於 2003 年的統計指 出,到 2006 年底止全球多用途工業用機器人需求將以每年 40 至 50%比率成長。服務 用機器人目前處於萌芽成長階段(growing activity),IFR 預估 2003 到 2006 年,全世界 將會有 3 萬種服務用機器人應用於家庭、辦公室、公共場所、軍事、太空等。經濟部工 業自動化電子化季刊也指出 目前日本已將智慧型機器人列為新產業創造戰略七大領域 , 之一,韓國也列為十大新世代成長動力產業之一。而我國也由經濟部主導並於 2005 年 12 月中宣布經濟部工業局啟動智慧機器人產業發展計畫,預計 2006 年、2007 年在中正 機場展示照護、娛樂、清潔、保全等十種用途的機器人原型,顯示政府全力投入機器人 產業的決心。 該季刊並預測,在服務用機器人中,居家照護機器人將會是明日之星,因居家照護 機器人在高齡化社會的趨勢下,勢必越來越受到人們的重視。在居家或人的照護方面, 機器人其中一項實用的功能是幫助被照護者抓取或傳遞物體亦或是餵食 要達成此一目 。 標,機器人至少需要有三個基本功能:1. 物品位置感知;2. 障礙物之閃避;3. 準確抓 取物品。此類機器人在使用方式與工業用機器人最大差異在於與人類直接接觸,因在其 功能的設計上必須做到,不管任何情況下都不能傷害到使用者。本研究將以人因工程之 角度針對非期待性障礙物 也就是移動的障礙物與人機接觸時之安全性提昇做進一步之 , 研究。 人因工程專家和控制工程專家對於機器人與其工作物件之接觸和與其工作環境互 動之研究已有數十年之歷史 自過去十年來機器人與其操作人員互動之控制更成為在機 , 器人智慧和人機互動領域中一項重要的主題。近來,一些精密且昂貴的感測器被廣泛的 應用在機器人對工作周圍環境之探測和對非期待性障礙物的避免;另外,基於安全性考 量,未來將採用空氣肌(Air muscle)作為機械臂的制動器。空氣肌的長度會隨著內部壓 力不同而改變,且具有一定的順應性,能大大提升機械臂在碰撞到人體或環境物品時之 安全性(工業自動化電子化,2005 年 11 月)。然而,應用越多的感測器則增加機器成本 與機器複雜性;再者,雖然一些先進機器人裝設了許多不同用途的感測器,期望其具有 百分之百的人類能力仍是個艱難的挑戰;因此,機器人和專屬操作人員的組合在一個未 知環境中則有其必要性。 本人與機器人互動控制研究計畫之研究動機在於: 1. 設計一簡單且相對安全的人、機整合控制系統,此系統使用最少的感測器,以 降低成本。 2. 此一系統必須是,當人員與機器人同時在同一工作空間中工作時,無論感測器 是否正常運作,人員絕對安全。 3. 此機器人系統必須能夠處理非期待性或已確定的事件,不論是否有人員操作。 因此,即使機器人在運行當中,必要時,人員可以用手來指導或帶引機器人手臂 來從事工作任務或避開機器人工作路徑中的非期待性障礙物,而不會傷及人員或損壞 機器人本身。亦或是當受照護的人員在無意識或不自主的情況下碰撞到運行中的機器 人,受照護的人員也不會受到傷害。 2. 研究目的 本計畫旨在發展一利用電腦軟體功能導向而且結合人因工程概念的機器人自動控 制策略。此一控制方式能使人員和機器人在同一工作空間、同一工作平台而且同時工 作,並使用最少的感測器。為了達到此一目標,人員在這一工作空間的安全性為設計 的首要考量。因此,本計畫企圖在給定的硬體條件下利用軟體的控制演算來增加機器 操作的安全性,這一新的軟體控制步驟可以達成人員與機器人的安全互動要件而且毋 需額外的感測器。 為達到上述目的,本計畫控制器的設計將根據(1) 非時間函數(time-independent)機 器人路徑規劃和(2) 慣量縮減(inertia reduction)等二項概念。非時間函數機器人路徑規 劃能使人員在某些特定任務時,在任何時間阻斷機器人的自主運動而無需改變控制模 式,更無需套用外力感測器式行動感測器。在無感應器套用的情況之下,電腦讀取由 機器人關節編碼器記錄之讀數差異來確認人機處於交互作用。如此,人員的安全可獲 得更進一步保障,當機器人模式中的慣量矩陣被以加速度反饋方式來縮減而變小時, 整個機器人系統的運動方式也會變得如一輕盈物件運動一般。此一控制方式亦能提高 人機互動時之安全性。 以上述二個基本概念為研究範圍,本計畫之人員與機器人互動控制將可達到提供 安全、實際且可施行的反饋控制器的目的。其應用可包含從工業到家用之大範圍。 3. 文獻探討 大致而言,機器人一般可分為非接觸性機器人和接觸性機器人兩種。非接觸性機 器人如噴漆或噴水等功能,接觸性機器人如夾取、放置或物件處理等功能。本節將針 對接觸性機器人現今最新的控制和穩定性理論做探討,其主題包括接觸力之控制、障 礙物之避免、接觸時之穩定性、運動路徑之規劃、人機互動之控制等。 3.1 機器人與其工作環境或物件交互作用之接觸力控制 大部份的典型機器人應用包括接觸力控制和運動控制兩種。因此,很多學者從事 於接觸力感測器反饋到控制廻路的研究。此一接觸力反饋演算法的原理是利用當接收 到力與運動指令時瞬時量測接觸力的大小與接觸點位置,然後下指令給機器手臂,做 一適當的反應。Whitney(1977)最早利用主動式調節的理論來處理機器人接觸力的反 饋 他將理想的機器人手臂行為以阻尼器的行為來模式化 此一理論衍生出 Mason(1981) , 。 之制振概論。Salisbury(1980)和 Onda(1986)等學家亦以 Whitney 的理論發展出主動剛性 控制(active stiffness control)和順從性控制(Compliance control)。這些理論皆以機器人手 臂的接觸點的位置差異來對機器人手臂關節驅動器下達指令,而 產生對其接觸物件或環境的順從性。 Hogan(1985)和 Kazerooni(1986)提出了阻抗控制理論(Impedance Control)來做為順 從性控制的替代方法。此一理論係以調節機器人本身之機械阻抗來對外力所造成之位 移與接觸力做控制。上述之接觸力控制理論其優缺點各異,然而其共通點就是皆需要 一個或多個精密的外力感測器。 3.2 路徑規劃 路徑規劃的目的在於,控制系統的運動產生一些參考輸入值來確保機器人能遵從 一定的路徑運行。通常路徑規劃是由一組多項式時間函數所組成。而路徑又大致分為 關節路徑與操作路徑兩種。 最簡單的機器人運動方式是點到點的運動。此一運動方式只考慮起始點與目標 點,其中間的路徑並不重要。此一運動方式的重點在於如何產生順暢的關節馬達或驅 動器的運轉。因此,這種運動只適合用於無障礙工作空間的物料搬運或處理任務。 Spong(1989)等人稱此種功能為教導與重覆播放(teach and play back)模式。若為了達到 避免障礙物的功能,則可在其運動路徑中加入許多限制點(Sciavicco,1996)。而若附加 速度或加速度的限制在其運動路徑的點與點之間則稱為護衛運動(guarded motion)。機 器人夾取物件並放置到另一地點是此一運動的典型例子。 在機器人的應用上,其工作任務通常被畫分在操作路徑較為多數,亦就是機器人 手臂必須依循一定的路徑運行。此種運動方式比關節路徑規劃較為困難,因為操作路 徑規劃和其運動牽涉到較複雜的逆運動學演算和一些變數的瞬時運算,並受到最大運 算頻率的限制。 Tarn(1993),Guo(1995)和 Xi(1998)等人分別對於一種稱為 〝事件依據〞 (event-based) 的新的路徑規劃的方法提出討論。他們的研究目的在於開發出一個智慧的路徑規劃和 控制方式,且能和感測器相容的方法來避免非預期性的事件或障礙物。然而,到目前 為此,其方法僅利用於無線或線控機器人或需要附加一個指令產生器來下達指令。這 亦暗示若人員必須隨時或不停的觀察機器人的動作或需要許多感測器在驅動指令產生 器來下達變換控制模式的指令。 3.3 人員與機器人互動控制 過去十年來,已有許多人機互動被研發並應用在不同的領域上。Guo 等人(1995) 根據〝事件依據〞的路徑規劃發展出一種結合人員在指令和機器人自主運動的智慧型 線控機器人。Snyder 和 Kazerooni(1996)發表一種物料搬運系統。事實上,這是擷取 Kazerooni 在 1990 年介紹的〝延伸器(extender)〞的概念而加以改良。這一系統是以人 員穿戴方式來增加人員的機械力。Kim 和 Zhang(1998)以外力感應器量測人員之施力與 運動 然後回傳回機器人當成動作指令 Kumar 等人於 2000 年發展出顯微手術機器人, , 。 此一設計基本上是對人力與機器臂位置的控制。圖一為近年來較為熱門之居家照護機 器人,其為將一個六個自由度之輕巧機器人固定在一張輪椅之上。該輪椅機器人主要 功能為幫助殘障人士開門或煮咖啡等工作。Fukuda 等人於 2003 年發表一種能輔助殘 障人士的線控機器人。上述的八個例子顯示人員與機器人互動控制之不同方法與不同 領域的應用,而本計劃所欲發展的控制策略則是能使機器人具有大範圍工作任務的能 力,而且只有在必要時刻人員才和機器人互動。 圖一. The MANUS-arm 輪椅機器人(資料來源:IFR, 2003) 4. 研究方法 本計劃之人員與機器人互動控制強調人員能和機器人在同一工作空間同時工作, 而且在必要時人員能與機器人隨時產生安全的接觸性的互動。其意含無論機器人有多 重、多大,人員可以在任何時間點或在機器人任何動作下阻斷其運動,而無須改變機 器人程式、不用切斷電源,且沒有套用任何外力或行動感測器。因此,本計畫的研究 方法為設計發展一個新的控制器。此控制器將以加速度反饋的特性對機器人系統數學 模式中的慣量矩陣進行縮減或補償來達到物體變輕的效果,然後,配合非時間函數的 路徑規劃,來達到系統安全和成本降低的目標。本計劃進行步驟將可分為三個階段: 1. 慣量縮減控制器的設計。 2. 非時間函數路徑之建立。 3. 以 Matlab/Simulink 電腦軟體進行模擬。 4.1 慣量縮減控制器的設計 本控制器的概念是利用在控制機器人扭力輸入時加上系統加速度反饋可以達到系 統慣性或慣量的調節補償作用。因為本研究置入人因工程因子,所以在合理的系統速 度下,吾人希望將系統的慣量縮減到合乎人類手臂強度或能力的範圍內,而在互動時 不致傷害到人體。 慣量縮減的基本概念可以用一個自由度(degree-of-freedom)的機器人系統來說明, 如圖二所示。其運動何為沿第 X 軸, f 代表驅動器的產生的可控制力矩,此系統質量 && 為 M。因此,本系統之模式化可以用一運動方程式 f =M X 來表示。在設計控制器的 過程中,其力矩輸入可設計為一阻尼器與彈簧系統,如圖三所示。其中 X d 為理想的移 動距離, K d 與 K p 分別為阻尼系數與彈性系數。當與人員互動時,外力以 Fh 表示,如 圖四。則此外力控制法則可被設計或如下列方程式: && f − Fn = MX 而 && && f = M a X − Kd ( X − X d ) − K p ( X − X d ) 。 其中 M a 表示欲縮減的質量,因此整個系統的運動方程式可為: && && ( M − M a ) X + K d ( X − X d ) + K p ( X − X d ) = − Fn , 整個系統因此達到位置控制與質量縮減的目的。 X f (Actuator) && MX = f M 圖二. 單自由度機器人手臂 Xd X Kd Xd Kd Kp M X Kp Md Fh 圖三. 質量-彈簧-阻尼系統 (PD controlled) 4.2 非時間函數路徑設計 圖四. 單自由度之慣量縮減系統 在人員與機器人產生接觸性互動的瞬時,若機器人運動路徑為非時間函數,則機 器人系統不會因時間增加而累積能量而產生反制力來傷害人體或損害機器本身。非時 間函數路徑的基本概念為:因為機器人運動路徑長度 S 為一時間函數,所以系統之速 度和加速度可視為路徑長度的函數,例如 U = f ( s ) 且其速度為 v = ds 和加速度為 dt dv 。 dt 更進一步說明,假設一機器人理想運動路徑為已知,吾人可計算出總路徑長度, 也可計算出單位時間所走之路徑長度,而單位時間實際所走之路徑長度與單位時間理 想值所走之路徑長度之差則可設定為下達停止指令之門檻值。本計畫路徑設計將基於 此一概念來做適當的運算與變換而達到非時間函數的目的,此一概念可用圖五來表 示。圖中 sd 表理想運動路徑,sa 表實際運動路徑,δ 為自訂之門檻值。在實際電腦模 擬時令 sd = sa + ∆s 其中 ∆s 為每單位時間機器人理想運動距離與實際運動距離之差,電 a= 腦運算邏輯為當 ∆s 小於 δ( sd − sa < δ ) ,也就是說機器手臂沒有遇到阻礙或被外力擋 住,電腦運算並告知機器手臂繼續下一步。當 sd − sa ≥ δ 或可視為機器手臂遇到阻礙 或被擋住因而使得 ∆s 大於或等於 δ,電腦運算並告知機器手臂留在原地。 Error Threshold sd sa pa Actual position pf δ v pd Desired Position p0 圖五. 非時間函數路徑錯誤門檻值之定義 4.4 電腦模擬 本計劃在完成控制器的設計之後,以 matlab/simulink 軟體進行系統模擬。吾人將 Matlab 軟體建立一個同平面二個自由度的機器人數學模式,同時,亦套入非時間函數 路徑和外力的數學模式而進行系統模擬。在此一階段,吾人希望由系統模擬所產生的 路徑、位置、速度、受力狀況等圖表進行分析來完成系統可行性的確認。 δ 值在此一控制運算邏輯中扮演一個非常重要的角色,也可以說是力的感應器,經 由快速比對△s 與 δ 大小之迴路,電腦告知機器手臂停止或到下一個預定位置。本電腦 模擬假設一機器手臂在 x, y 平面上做圓形動作,該圓中心點為(0.2 , 0.4),半徑為 0.12 公尺,並以在某定點 x = 0.14 時施力 fw,而 fw=k△x,其中 k 為彈力係數,△x 為實 際位置與施力位置之差,其設定如下式: ⎧10,000( x − 1.4) if x > 1.4 。 fw = ⎨ if x ≤ 1.4 ⎩0 圖六為當不受外力時,機器手臂前端實際與理想運動路徑圖,圖七則為模擬受外 力時機器手臂前端之運動路徑圖,由圖七可看出當機器手臂受到外力時,其 x、y 軸位 置均靜止不動,直到外力解除才繼續動作。 desired and actual desired and actual Y position desired and actual desired and actual X position X position Y position 圖六 機器手臂前端實際與理想運動路徑 圖七 受外力時機器手臂前端之運動路徑 5. 結論與計畫成果自評 1. 2. 3. 4. 本計畫在整個執行期間完成的工作項目有: 收集人類手臂強度與工作能力及範圍等相關之人因工程因子。 建立一個多自由度之人員與機器人互動控制之數學模式。 非時間函數機器人運動路徑之研究。 電腦模擬人機互動模式建立。 5. 期刊論文之撰寫。 本研究在學術的成果來看,將自動控制理論結合人因工程因子的概念,提供了人機 互動的新思維。其衍生出的利用加速度反饋來補償、調節機器慣量的理論與結合非時 間函數運動路徑規劃的方法,更提供了機器人設計與控制的新觀念和提供學術界在人 因工程、機器人智慧、機器人控制等領域更進一步的研究與討論。 在產業界實際應用的成果而言,本研究提供了人員與機器人互動時更安全的控制 方式,使得人、機互動上更具彈性,方能使機器人應用在製造生產時更具效率。本研 究利用電腦軟體判別,由運算來代替感測器的應用,更能在製造機器人時降低成本。 綜合以上優點,本研究所設計的系統更能應用於工業以界以外的範圍,如家庭、醫院 等地方,最主要為家用機器人的開發提供了另一設計方向。 6. 參考文獻 Fukuda, O., Tsuji, T., Kaneko, M., and Otsuka, A. 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This note was uploaded on 11/27/2009 for the course IM MA420 taught by Professor Mar,lee during the Spring '09 term at National Taiwan University.

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