面向核设施退役的双边力反馈遥操作双臂移动机器人系统

丰飞 杨海涛 唐丽娜

（1 华中科技大学无锡研究院，无锡，214000；2江苏集萃华科智能装备科技有限公司，无锡，214000；3上海航天设备制造总厂有限公司，上海，200245）

0 引言

随着大气治理带来的清洁能源的迫切需求，加之核动力航母、潜艇等杀手锏武器对一个国家战略地位巩固和国防安全提升与日俱增的重要性，核工业技术的发展一直备受全球各国关注[1]。而随着大量核电站到达退役年限以及人口增长对土地资源的迫切需求，如何实现退役核设施的再利用成为全球各核工业大国极度关注的问题。从上世纪七八十年代开始，各核国已经开始制定核设施退役治理规范及措施，开展相关技术研究[2]。

在核设施退役及维护作业中，人们需要面对强辐射、高温和有毒性物质的威胁，人参与作业存在较大风险，而且需要进行成本高昂的个人防护[3-4]。因此，目前基于核设施退役技术水平的限制，大多国家采用就地掩埋或者划定隔离区域的方式进行处理。随着机器人技术的快速发展，在核设施退役操作中引入机器人技术将很大程度降低人类操作者的风险，提升核环境下作业的效率和可靠性，为核设施退役及日常维护提供了更安全可靠的解决方案[5]。

当下面对核设施退役及救援迫切需求的机器人系统，不仅要处理大量精密的设备拆除、拆解及搬运操作，而且还要面对非结构化环境下的应急及突发情况处理，这对机器人的自主操作及智能化程度提出了较高的要求。然而目前机器人自主操作以及智能化水平较低，面对复杂、多变、非结构化环境下的核设施退役及救援操作，现阶段的机器人自主决策层面的人工智能远远不能满足要求[6-7]。因此，如何将遥操作技术与机器人技术结合起来，通过Humanin-Loop（人在回路）的人工智能增强型遥操作模式，提升核退役机器人对应急及突发情况的处理能力，是机器人技术满足当下核设施退役迫切需求的一大挑战。

目前，获得工程化应用的核工业遥操作机器人，大多采用手柄式人机交互接口的遥操作方式，其匮乏的力反馈及沉浸式临场感很难满足核设施设备精密拆除的需求[8-9]。另外，遵循核设施退役拆除的废物最小化原则，需要核退役机器人进行大量精细复杂的操作。在核设施的非结构化环境下，复杂精细操作对机器人遥操作系统的实时性和临场感带来挑战，如何消除遥操作时延带来的不利影响以及提高操作者的临场感是核退役机器人遥操作系统的核心问题，而双边力反馈控制则是有效解决遥操作系统时延和临场感问题的有效方法。

双边力反馈遥操作可以构建稳定性、透明性更好的遥操作系统，增强操作者的沉浸式临场感，更有效地将人类智能与机器人操作结合起来，不仅能够使人远离危险作业区域，而且可以有效利用人的经验/智慧进行决策和判断，极大提高核退役机器人应对非结构化环境复杂作业及应对突发情况处理的能力。

1 核工业遥操作机器人系统发展

机械式遥操作机械臂是面对核设施维护需求而诞生的第一代遥操作机械臂系统，主要用于辐射较强的热室内、15kg左右的载荷操作以及60kg的载荷提升等操作。这种系统主要包括主端机械臂（指令机构）、穿墙管（密封防护及动力传输）、从端机械臂三大部分组成[10]，是通用的核工业遥操作机械臂系统，如图1和图2所示，也是一个革命性的产品，如今已成为核工业行业的标配。

图1 MT200主从机械臂

图 2 A100主从机械臂

在机械式主从机械臂基础上，德国Wälischmiller公司和法国Getinge公司相继开发了基于人机交互接口的主从机械臂系统。

MT200 TAO是从标准的MT200发展而来的，在MT200上集成了电力传动和一个遥操作主手。MT200TAO完全采用电机驱动和计算机控制，从而可以为操作者提供完全的反馈信息。该机械手具有可实现绕主轴360°转动的能力；由于减轻了操作者的疲劳，使其操作可以增效60-65%；同时，通过运动精度的提高进一步提高效益20%。

此外，遥操作机械臂系统TERMAN TAO[11-12]，如图3所示，是基于滚珠丝杠和滚珠花键机械传动系统的方案。

目前，核工业用的机器人主要采用手柄式人机交互装置以及Haption、Force Dimension等公司研发的主端力控手柄，其不仅成本较高，而且不具备良好的人机交互体验，多数是主从异构的人机交互装置，运动映射及力反馈算法复杂且不直观。因此，开发具有良好人机交互装置，且能够实现精确运动映射和力反馈、实现精准的人在回路遥操作，是提升空间、核工业以及深海等极端环境作业特种机器人应对非结构化环境下复杂多样作业任务，尤其对应急突发事件具备极强的适应性的有效和必要手段[13-14]。

图3 遥操作式主从机械臂

2 双协作机械臂移动机器人系统组成

双边力反馈遥操作技术是解决面向极端非结构化环境作业的机器人控制的最有效方式，尤其在人工智能和机器人自主操作技术还未成熟的当下，是控制机器人实现非结构化环境下的精细作业以及应急突发情况处理的唯一方式。然而，由于目前的远程遥操作系统多采用桌面级的人机交互装置，其操作空间和力反馈有限，且主从端运动映射和力反馈方法比较复杂、不直观，需要采用复杂的运动映射算法才能实现主从端运动映射，且从端对主端的运动跟随精度较低、跟随效果较差。此外，目前大多数遥操作系统不具备双边位姿反馈以及力反馈遥操作，系统透明性较差，操作者的临场感不强。因此，本文面向双臂核设施退役机器人系统的遥操作需求，开展主端采用双协作式机械臂作为人机交互接口的遥操作系统开发以及其双边力反馈遥操作控制算法研究。

该双协作机械臂遥操作系统及双臂核设施退役机器人系统的基本组成如图4所示。

图4 核退役双臂遥操作机器人

本文核心是进行双边力反馈遥操作人机交互接口的研制以及双边力反馈遥操作控制算法的研究，通过系统研制及相关算法研究，构建“Human-in-Loop”双臂遥操作控制系统。即：通过操作主端的两个协作机械臂来控制从端机器人的双臂运动，协作机械臂还能将从端机器人的双臂所受到的力反馈给操作人员，两边交换位姿以及力和力矩的数据。双协作机械臂作为主端人机交互接口的引入不仅增强了操作者的临场感，也简化了主从端运动和感知的映射方法。该遥操作系统可实现从端双臂机器人系统对操作者指令的精确复现，并将从端双臂机器人系统与环境接触状态通过主端人机交互接口精确反馈给主端操作者，从而增强遥操作者的沉浸式临场感，完成核设施退役拆除中的精细操作，以及对突发应急情况的可靠、有效的处理。核退役双臂机器人双边力反馈遥操作系统架构图如图5所示。

图5 核退役双臂遥操作机器人遥操作架构图

图6 双协作机械臂遥操作主端研究方法

目前，双臂移动机器人双边力反馈遥操作系统在机器人领域研究及应用较少，主要集中在国外几家机器人研发机构，国内相关研究目前未调研到相关技术研究现状。因此，本项目通过移动机器人双臂力反馈遥操作系统的总体构建，基于拟人协作轻型机械臂系统研制双臂人机交互接口，开展双臂双边力反馈遥操作控制技术研究，并在正在开展的工信部科工局项目中进行实验验证，从而优化双臂遥操作系统构型以及双臂力反馈遥操作算法，力争在核工业机器人、医疗机器人、空间机器人等极端环境作业机器人领域获得应用推广，提升遥操作技术的沉浸式临场感及力反馈技术水平。

此外，为了扩展机械臂的功能，以满足复杂环境下的多种作业任务需求，该机器人末端搭载末端快换工具，通过末端工具快换装置实现不同作业需求的末端工具更换。末端工具的快换模式如图6所示。

3 基于双协作机械臂的双臂移动机器人系统设计

3.1 协作机械臂遥操作人机交互装置构型及柔性模块化关节

如图7所示，本文通过分析人体上肢运动学特性，获取人体上肢可达范围以及各关节运动范围，建立人体上肢运动学模型，完成拟人协作机械臂的各关节运动学参数设计，并按拟人协作机械臂构型及自由度布局设计，建立其运动学模型。

其次，基于人体上肢运动学模型及协作机械臂运动模型，分析两者的运动空间及可达区域，并根据操作者与双协作机械臂遥操作接口装置相结合的方式，优化协作机械臂构型及自由度布局，实现双协作机械臂与人体双臂运动范围及运动学特性的高度近似，提升操作者与双协作机械臂结合的“本体感”感受。

图7 双协作机械臂遥操作主端研究方法

再者，以良好的人机交互为目的，研制具有良好力矩反馈和交互的集成位置传感器和关节力矩传感器的柔性关节，以模块化设计思想出发，开发协作机械臂柔性关节。通过可变刚度变动柔顺的方式提升人机交互的柔顺性及安全性。

图8 双协作机械臂柔性关节构成

图9 主从同构型遥操作双臂移动机器人系统

此外，本文创造性地提出了将可变刚度弹性体与关节力矩弹性体进行一体化设计的思想，即可实现关节力矩的检测，也可通过刚度调整模块实现关节刚度调整，从而针对不同身体素质和力量强度的遥操作者，辅助以柔顺控制器软件的刚度调整，提供更加柔顺和亲和力较强的人机交互体验。集成力反馈、位置检测的模块化柔性关节如图8所示。为了进一步提升人机交互的直观性和运动映射的准确性和真实性，基于设计的柔性关节，可开发具有主从机械臂构型完全一致的双臂遥操作机器人系统，如图9所示。

3.2 基于主动柔顺的人机接口机械臂随动控制及主从运动映射算法

双协作机械臂作为主端人机交互接口装置的遥操作系统，采用7自由度拟人的机械臂构型，具有主从端运动映射及力反馈的功能。

主从端运动映射实现方式如下：协作机械臂采用示教拖动形式的导纳与阻抗控制相结合的主动柔顺控制，当操作者操作协作式主端机械臂的末端时，其可顺应地跟随操作者的意图运动。同时，采用各关节位置传感器实现关节运动轨迹的检测，并通过主端协作式遥操作机械臂与从端作业机械臂的运动学模型及运动特性分析，建立两者的运动映射关系，实现基于主动柔顺跟随的主从端运动映射。此外，采用运动学动态标定方法对主从端运动进行动态标定，进一步提升主从端运动映射算法的准确性。

主从端力反馈实现方式：从端机器人末端与环境的接触力可采用腕关节六维力矩传感器直接测量，或者采用各关节力矩传感器以及各关节电机电流检测，通过机械臂动力学模型建立关节扭矩与末端接触力的转换算法进行表征。核工业机器人系统的作业环境因为存在强辐射、强腐蚀、高温变等特性，对直接力矩检测的精度和可靠性影响较大，因此，本文采用关节电机电流检测及电流环控制的方式，通过机械臂关节电机电流与关节输出扭矩的动态标定，建立关节输出扭矩与电流的数学模型；结合机械臂动力学模型，建立机械臂末端接触力与关节扭矩数学模型，从而进行机械臂接触力的无力矩传感器检测，实现从端机械臂末端作用力的间接检测，满足从端机械臂人机交互力反馈要求。

基于双协作机械臂的双边力反馈遥操作的双臂移动机器人遥操作如图10所示。

3.3 基于三维模型/力反馈的主端人机交互碰撞规避与安全交互策略

图10 基于双协作机械臂的双臂核退役机器人遥操作控制方法

遥操作者通过操作主端人机交互接口装置的双协作机械臂实现与从端的运动映射及力反馈，故操作者与双协作机械臂人机交互接口之间存在接触与碰撞。为提升“人在回路”操作者的安全性及良好的人机交互体验，需要建立碰撞检测方法及碰撞规避机制。

基于主端人机交互接口双协作机械臂的数学模型，通过三维模型预处理，构建协作机械臂的外形包络模型，同时基于操作者的身高和体重等数据输入构建数字人模型，从而通过操作者与双协作机械臂的交互方式，完成系统建模，并通过机械臂的运动学模型，实时协作机械臂与操作者的三维模型刷新。同时，基于双目视觉三维重构，对基于运动学生成的模型进行校正，得到更准确真实的主端双协作机械臂与操作者的三维模型。然后，再根据三维模型干涉检测算法，判断协作机械臂三维模型与操作者三维模型在空间中是否有交集，以达到碰撞检测的目的；基于此，可依据运动学模型对碰撞进行预测，从而实现碰撞规避，进一步提升操作的安全。

主端操作者与双协作机械臂之间的碰撞检测、规避与人机交互安全策略如图11所示。

此外，为进一步保证操作者人机交互的安全性，采用基于关节电机电流与力矩检测的方式实现操作者与双协作机械臂之间的碰撞检测。该方法通过关节扭矩的直接检测以及关节电机电流的检测，对碰撞发生的强度和位置进行测量，并通多主动柔顺控制算法实现碰撞的快速规避，降低机械臂与人体接触力的大小。

3.4 人在回路的双臂力反馈遥操作控制方法

本文基于课题拟研制的双协作机械臂作为主端人机交互接口装置的双边力反馈遥操作系统，结合正在研制的核退役双臂机器人系统，构建核退役双边力反馈总体遥操作控制框架，开展面向典型核退役作业的双边力反馈遥操作试验验证。

图11 双协作机械臂遥操作主端碰撞检测与规避研究方法

图12 基于主端双协作机械臂的双臂遥操作实验验证方法

在从端有关节力矩传感器或者末端六维力矩传感器的前提下，本文开展主从双边力反馈遥操作控制实验研究，并在获取从端机械臂动力学特性的基础上，逐渐建立基于从端机械臂关节电流测量的环境接触力反馈，实现从端无力矩传感器力反馈遥操作，消除从端力反馈对力矩传感器的依赖，降低从端机械臂的电子学系统的耐辐照等级要求，提升系统可靠性。

4 结语

面向核设施的日常运维检测以及退役源项调查、拆除作业等机器人系统，通常需要面对非结构化环境以及复杂的作业任务需求，尤其需要应对应急事故或者突发情况。因此，此类机器人对机器人的智能性、自主化程度要求较高，而现有的机器人智能感知及智能控制等技术还不足以使机器人具备智能性以及自主性。因此，本文开展具有良好人机交互、能够实现双边力反馈的沉浸式临场感遥操作系统研究，建立人在回路的遥操作机器人系统，将操作者的智能和经验通过人机交互接口引入到极端环境作业特种机器人系统中，通过精确的运动映射算法和力反馈算法，全面提升机器人在复杂非结构化环境下处理复杂多样的作业任务的效率和质量，推动核工业机器人技术及核工业作业技术向着智能化、机器人化和自动化迈进。