载人六足机器人人机功能分配及操纵系统设计

尤波　蔡佳龙　许家忠　李佳钰　丁亮　高海波

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摘要：针对机器人自主控制的现有成果还不能完全适应其恶劣环境的全面要求的问题，开发一套操控功能齐全、实时性以及稳定性良好的人工操控系统便成为现阶段机器人平稳安全完成任务的必要前提。在前期已开发出的六足机器人操纵硬件系统的基础上，提出了一种融合了情景意识原则和人机功能分配原则的操纵模式，建立了多目标模糊决策模型并计算得出最佳的分配方案，最后以贝加莱控制器为核心控制器，设计出一套六足机器人操纵系统，实现了对机器人状态监控的实时性及运动操控的精准性的同时，验证了所提出人机功能分配算法与系统操纵性的良好融合性，为今后设计载人六足机器人的操纵系统提供参考依据。

关键词：载人六足机器人；情景意识；人机功能分配；多目标模糊决策型

中图分类号：TP273 文献标志码：A 文章编号：1007-2683（2017）01-0048-06

0 引言

与传统的轮式和履带式机器人相比，仿生足式机器人在危险探测、抢险、山地运输等复杂环境下具有更强的地形适应能力，仿生机器人已成为机器人学中一个引人注目的研究领域，各国都投入大量的经费和人员进行研究。根据其结构特点，它具备了有足生物落足点离散的行走特点，具有对路面环境要求低的优点，它可以自由跨越障碍物、趟过沙地、掠过沼泽等特殊路面。它极强的地形适应能力、行走过程平稳、肢体存在冗余等方面，使仿生六足机器人更能够独立、可靠的适应复杂环境下的运输、侦查以及外星环境探测等各种非结构化作业环境中的工作。

对于现代化的六足机器人来说，面向的工作场合都比较复杂、恶劣，而从国内外对其自主控制算法的研究上来看，还不能完全保证机器人平稳工作的安全性，因此采用人机协同操纵的方式现在看来是必不可少的。与机动车驾驶员驶员相比，足式机器人驾驶员的操纵从重复性的手动操纵模式转换为集监控、判断、决策、执行等一系列复杂的感知控制为一体的操纵模式，这导致了驾驶员的需求信息与传统的轮式车辆相比信息量更大，判断更复杂、在决策和执行环节中更易出错。在人和机器的功能分配中，综合考虑人和机器的各自特点，既要充分发挥人的主观能动性又要发挥机器的最佳性能，从而使人与机器共同有效的一起工作。六足机器人的操纵系统作为驾驶员与机器人的交互接口，其设计的合理与否关系到驾驶员对环境的监测信息的合理性、判断、决策和执行操作的难易程度，以及机器人能否正确、安全、稳定的运行。

本文为保证六足机器人操纵系统设计的合理性、可行性以及人机系统中人与机器性能发挥性能的最佳性。首先对情景意识原则和人机功能分配原则进行分析和应用，并建立多目标模糊决策模型计算得出最佳的分配方案，同时通过硬件搭建和软件的架构的开发，设计出了一套六足机器人操纵系统。最后，根据实验数据验证了操纵系统的合理性和可行性。

1 操纵系统设计原则及控制策略

1.1 情境意识原则

情境意识概念最早出现在航空心理学中，描述飞行员对作战飞行操纵的理解，随着科技的进步，操作人员的工作由过去以“操作”为主变为监视一决策一控制，操作任务的认知特性也不断增加。在复杂、动态变化的信息环境中，情境意识是影响操作者决策和绩效的关键因素。研究表明，在一般的驾驶操纵事故中，71%的事故涉及人为差错，这其中81%的事故涉及情境意识错误。因此，融合情境意识原则对整个载人足式机器人的操纵的安全性起着至关重要的作用。

情景意识最广泛的定义是Endsley提出的，她提出情境意识就是在一定的时间和空间内，对环境各组成要素的知觉、理解，以及对其近期未來状态的预测。从简单意义上来说，情境意识就是操作人员通过自身的知识、能力经验、感知能力等对所处环境的认知和理解，以此来预测未来的情境。情境意识的基础主要来源于人对环境中相关成分的感知，而人在感知后做出的相应决策和动作执行属于情境感知的不同阶段。在人-机器-环境系统中，人通过对机器运行环境的感知信息和机器的状态信息二者进行融合，并通过自身的知识储备从而进行操纵的决策和动作的执行。对于操纵系统而言，驾驶员对于环境信息的感知，既包括机器所处环境的感知也包括机器当前的状态的读取。

人的情景意识为一个闭环系统，Endsley情境意识模型如图1所示，人们对情境的感知并非是唯一的，对其影响的因素有很多，其中包括工作负荷、能力经验训练等；情境意识的结果将影响操纵人员的决策和最终的动作执行，因此要将情景意识理论融入到操纵系统的设计当中。根据情景意识模型在设计本操纵系统时需考虑以下两点：反馈

1）在情景感知环节，对于操纵人员来说，从环境中进入到操作人员大脑的信号是未经过任何处理的，操纵人员需要通过自身的“滤波器”过滤掉无意义的信息，而人的注意力资源是有限度的，因此在设计操纵系统之时需要考虑“噪声”信号对操纵人员的影响，设计人机交互界面时尽可能的提取简单、直观、易于理解和判断的信号。

2）考虑到不同的人的能力经验是有差异的，而操纵人员的决策对于机器人的运行模式是否合理起着至关重要的作用，为了使驾驶员能够根据实时的环境信息进行准确的决策，编写通用的调用规则，针对不同的环境给出相应决策意见，使操纵人员的决策更加快捷准确。

1.2 操纵系统控制策略

驾驶员根据实际的环境与机器人的状态信息来判断需要运行的控制策略，控制策略主要为3类：人主机辅控制、机主人辅控制、共同控制。

人主机辅控制：以人工操纵为主，机器控制为辅的控制策略。当机器人所处环境比较艰难且无法自主行进时，采用人主机辅方式来达到控制机器人行进的目的。在此控制策略下，驾驶员主要负责手动操纵机器人来完成复杂、艰难的任务，机器主要通过驾驶员下发的指令来执行，由于驾驶员在操纵过程中会存在误操纵，或者操纵过量等问题，因此机器的辅助系统会根据传感器的返回数据值弥补操纵人员的操纵失误与不足，辅助操纵人员的控制。

机主人辅控制：以机器自主操纵为主，人工协助控制为辅的控制策略。六足机器人在满足其自主运行的环境中，选择此控制策略，当操纵人员下达行进指令后，机器人可根据不同的地形进行自主确定行走路径，通过机身的传感器进行环境感知，可在遭遇大型障碍时自动躲避障碍等。

共同控制策略：机器与人共同控制。当机器与人无法单独完成某任务或共同控制可使任务的执行效果达到最佳时，采用共同控制策略。例如对于机器人需要跨越可逾越障碍这一任务时，机器人本身可自主进行但可靠性很差，对驾驶员的安全产生一定的威胁。而驾驶员手动操纵无法满足操纵效率的要求。因此可采用共同控制策略，驾驶员除了要对运行状态进行监控以外，还要适当的控制行进速度和行进方向，同时面对可逾越的障碍时可加入人工干预达到壁障的目的，在遭遇可预见危险时及时给出安全的控制决策。

以上3种控制中人主机辅控制属于手动控制，机主人辅控制属于自动控制，共同控制策略属于人机合作的控制策略，在操纵系统的设计时，将操纵系统的功能进行相应的划分和规划，驾驶员可根据自身的知识和经验判断选择。这样动态的选择机器的运行模式可大幅度增加系统运行的可靠性，提高机器的灵活度，降低操纵的复杂程度，同时为接下来人机功能分配提供一个指向。

2 操纵系统的人机功能分配

2.1 人机功能分配模型的建立

人机功能分配作为操纵系统设计的指导原则，在分配上应充分考虑人的差异性对系统执行的影响，因此在功能分配上设计者应考虑操纵系统的通用性，以及人机功能分配的合理性，从而使系统与人达到最合理的匹配性，发挥人的主观能动性和机器的最佳性能。在许多方面下操作人员的优点恰好是机器存在的缺点，而机器的优点又恰好是操纵人员的不足。因此根据人与机器的各自特点，才能使操纵系统与机器人达到协调统一。

在对人机功能进行分配时需考虑的指标主要有：操纵要求、操纵人员工作效率、操纵负荷、操纵人员的安全性、任务执行的可靠性等。根据以上指标可以引入一个广义的多目标模糊决策模型，即

目标函数

（1）

约束条件式中：f为功能分配目标函数，如系统安全性最高或者整体效率最高等；x_i为人在方案m_i下状态变量，如操作效率、操纵负荷；y_i为机器在方案m_i下状态变量；m_i为相应于各状态变量的功能分配方案；F_i为针对上述状态变量建立的功能分配方案m_i的约束函数；s为六足机器人“人-机-环境”系统变量空间，由m_i与y_i组成，也可统称为因素指标集合，即所有的约束函数都必须在给定的机器人“人-机-环境”系统条件下进行；n为功能分配的方案总数。

2.2 人机功能分配应用

应用多目标模糊决策模型进行人机功能分配，本文采用以下几个步骤进行实施。

1）操纵系统综合分析；

2）整体方案设计；

3）系统人、机功能分配方案的确定；

4）以操纵人员操纵效率、操纵要求、操纵人员安全以及操作负荷为状态变量建立目标函数并给出方案的约束条件；

5）比较各个方案确定系统最佳的人机功能分配方案。

六足机器人操纵系统主要负责机器人运行状态的监测，行进方式决策，以及遭遇突发事件的处理等。现根据行进方式决策中跨越障碍控制方式按照多目标模糊决策模型进行分析。

由多目标模糊决策理论、式（1）及表1可知，决策论域U以操纵系统的控制策略为指导因此设U={手动控制，自动控制，共同控制}={m₁，m₂，m₃}

因素指标集合S={操纵效率，操作要求，操纵负荷，安全性，可靠性}={s₁，s₂，s₃，s₄，s₅}为确定各约束函数值组成的因素指标值矩阵F，现给出不同的分配方案下各个功能需求的约束函数的相对值，如表1所示。

由各约束函数值组成的因素指标值矩阵F为式中i=1，2，3；j=1，2，…，5.

通过前期已开发的操纵系统的实际经验，确定各因素指标的权值向量A为

A=[a₁，a₂，a₃，a₄，a₅]^T

=[0.83，0.92，0.6，0.81，0.91]^T

在确定各状态变量的标准约束函数值向量时，需选取各个约束函数的值；而在上述因素指标中当约束函数值与方案的优劣成正比时选取其最大值（操纵效率，操作要求，安全性，可靠性）；当约束函数值与方案的优劣成反比时选取最小值（操纵负荷）；因此各状态变量的标准约束函数值向量式中

3 操纵系统设计

3.1 操纵系统硬件设计

通过对机器人的控制策略分析，为满足操纵系统需满足的要求及实验平台的具体功能需求，操纵系统硬件结构图如图2所示。仿真平台的硬件结构包括操纵系统和搭载Vortex环境的PC机，机器人操纵系统硬件架构包括：人机交互设备、主控制器、通讯模块、数据采集模块、操纵输入设备。其中人机交互设备主要负责驾驶人员的操纵控制和显示当前的所需信息；主控制主要对触摸屏和操纵输入设备的数据进行采集并按照程序做相应的处理，同时与机器人PC机进行实时通讯达到实时控制机器人的目的。

根据六足机器人整体的结构特点和功能需求分析，操纵系统硬件需满足：操纵系统长时间运行的可靠性、操纵系统的实时性、人机交互的合理性和易用性、可扩展性及易开发性。根据市场进行调研分析，选用奥地利的贝加莱工业控制器组件为操纵系统的主要部件来搭建操纵系统，该控制系统以Vxworks實时操纵系统为底层操纵系统，结构精简紧凑、响应时间短、传输速度快、稳定性高、可扩展性强，同时开发环境集成化避免了繁琐的开发过程，满足操纵系统的各方面需求。

3.2 操纵系统软件设计

操纵系统软件设计是系统的核心，根据之前提出的人机功能任务分配与控制策略，涉及到操纵系统软件设计的主要包括：用户界面设计、数据采集与处理，数据通讯系统，因此操纵系统的软件设计的合理性关系到驾驶员操纵的效率、是否容易误操作和机器人执行的正确性、稳定性等。下面对软件设计的主要内容进行详细说明：

1）用户界面设计

用户界面作为驾驶员与机器的信息交互界面，在操纵系统中起着关键性的作用，根据情境感知模型结合操纵系统，驾驶员在获取机器人外部运行环境与机器人状态信息后，经过自身的知识理解将信息进行过滤与融合，通过自身的操纵方案的储备进行决策和执行。由于操纵人员信息的获取、命令的下发都要经过人机交互设备来实现，因此本操纵系统的用户界面开发按照以下3点进行，操纵界面如图3所示。①由于操纵人员通过环境感知的信息较多且注意力是有限的，因此采用图形化代替传统的数值输出来显示机体稳定裕度和腿部操纵范围，来使驾驶员直观的监控机器人的关键信息，减少了过多的思考时问，同时可使得驾驶员高效的做出决策。②在重要功能之间切换时，通过后台程序读取当前机器人状态指标并进行计算，弹出建议对话框辅助操纵人员确定可否执行当前操作。③界面按照功能类型进行分区规划，增加切换功能，使不同的页面之间能够灵活的切换。

2）数据采集与处理

在操纵系统人机功能分配中，机器的主要工作为处理大量的数据，循环执行逻辑判断以及在驾驶员面临决策时通过数据分析给出决策建议等，因此操纵系统的数据采集与处理程序主要用于完成六足机器人的操纵指令的采集与逻辑运算、返回数据的处理、界面图形驱动等，其中主逻辑流程图如图4所示，主逻辑程序主要完成相关参数初始化及各个子函数有序工作。

3）通讯设计

操纵系统与PC机主要采用CAN总线通讯的方式来完成数据交互，主要包括发送操纵指令和接受机器人的状态信息，其发送方式采用查询方式发送20ms进行查询一次检测缓冲区是否有发送数据包，如果有则启动发送程序；读取方式为启动程序是即启动读取程序，每20ms读取一次缓冲区查看是否有命令包，若有则从缓冲区读取数据。

4 实验数据分析

4.1 通讯数据分析

本文已完成六足机器人操纵系统的硬件的搭建和软件的开发工作，下面对操纵系统进行实验数据分析。本操纵系统控制基于Vortex环境下搭建的虚拟六足机器人，当操纵人员通过操纵系统发送行进模式行进指令后，机器人开始执行相应指令的行进模式，操纵系统可根据返回的各个关节角度值驱动图形显示，因此数据的正确与否关系到驾驶员对机器人状态的监控可靠性，通过读取返回的数据进行分析来判断是否符合当前的状态。在机器人腿部摆动频率设为pi/20时，机器人依次以二步态、三步态、六步态行进时各关节角度曲线如图5所示，实验分析表明，接受数据与实际数值相同，数据读取正常。

4.2 操纵时间分析

众所周知，只有在适度的任务分配下才能充分发挥人的工作效率。如果工作分配不紧凑，操纵人员的注意力不能连续集中，在执行目标任务时发生的紧急事件不能及时的做出处理，导致事故的发生；而如果任务过分集中，操纵人员的能力有限，无法完成所要求的任务从而导致任务的终止或严重的事故发生。因此在实际操纵过程中记录操纵人员在执行每个功能时所耗时间以此来分析操纵系统人机功能分配是否合理。

在二、三、六步态行进操纵中，当操纵人员得到操纵指令后操纵一般分为6个步骤：①驾驶员大脑响应；②监视所有数据判断是否可操纵；③按下功能指令；④按下确定指令；⑤再次确认关键参数；⑥行进触发。3种基本行进步态下每一个步骤操纵人员所需的时间记录数据图如图6所示，由图可知在3种步态下每一个步骤所需的时间相差不多且各相邻步骤间无连续大强度操纵，在长时间的操纵过程中无心理压力与疲惫感，满足操纵系统的预期效果。

5 结论

本文以融合情境意识为目的开发了操纵界面，应用多目标模糊决策模型计算得出最优的人机功能分配方案并对基本功能进行了功能分配。利用贝加莱控制器开发了六足机器人操纵系统，经过实验验证和分析，操纵系统运行稳定，操纵任务强度适度、系统响应时間快，人机交互信息无误、清晰明了，达到了预期的目标，实现了对虚拟机器人的控制。

（编辑：温泽宇）