最初研制的機(jī)器人只能完成一些單一、簡單的重復(fù)任務(wù)，而不具備人機(jī)交互能力，隨著機(jī)器人逐漸智能化，將成為家庭和工業(yè)環(huán)境中的一種商品，為了使機(jī)器人能夠與人類安全的進(jìn)行物理交互，完成更加復(fù)雜的任務(wù)，例如磨削、裝配、鉆孔等，需要對整個(gè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)上可能發(fā)生的碰撞進(jìn)行快速可靠的檢測；同時(shí)還需要采用安全的機(jī)器人反應(yīng)控制策略，以防止接觸機(jī)器人可能造成的人身傷害。實(shí)現(xiàn)這種機(jī)器人行為是物理人-機(jī)器人交互（PHRI）研究的總體目標(biāo)。機(jī)器人研究領(lǐng)域?qū)C(jī)器人的碰撞檢測主要分為，基于力矩傳感器和無力矩傳感器的兩大研究方向，其中無力矩傳感器的方式主要分為基于機(jī)器人能量參數(shù)或者基于機(jī)器人連桿動(dòng)量觀測器的碰撞檢測方案。

機(jī)器人動(dòng)力學(xué)控制領(lǐng)域?qū)＜?

Sami Haddadin

將碰撞檢測過程分為七個(gè)階段：

碰撞檢測流程

1、預(yù)碰撞階段：這里的主要目標(biāo)是規(guī)劃機(jī)器人運(yùn)動(dòng)路徑，以盡量減少碰撞影響。目前的離線運(yùn)動(dòng)規(guī)劃技術(shù)需要大量計(jì)算，能夠處理瞬時(shí)變化的在線方法仍然是一個(gè)正在進(jìn)行的研究方向，特別是在考慮人類感知的情況下。預(yù)測碰撞是需要使用額外的外部傳感器，例如視覺傳感器、RGB-D（深度相機(jī)）攝像頭等。因此目前許多正在研究的算法是為實(shí)時(shí)生成（增量）無碰撞路徑而設(shè)計(jì)的。例如，使用人工勢場法、彈性帶法或其他類似變體算法，這些算法同時(shí)也考慮到人類行為的預(yù)測。

2、碰撞檢測階段：用一個(gè)二進(jìn)制輸出表示機(jī)器人是否發(fā)生碰撞，其特點(diǎn)是傳遞接觸力矩，要求在很短的碰撞持續(xù)時(shí)間內(nèi)檢測到可能發(fā)生在機(jī)器人結(jié)構(gòu)上任何地方的碰撞。實(shí)際應(yīng)用需要對監(jiān)測信號設(shè)定一個(gè)閾值，以避免誤報(bào)，同時(shí)獲得較高的靈敏度。一種直觀的方案是監(jiān)測機(jī)器人電力驅(qū)動(dòng)中的電流測量值，尋找可能由碰撞引起的快速瞬變。另外一種方案將實(shí)際命令的電機(jī)轉(zhuǎn)矩（或電機(jī)電流）與基于標(biāo)稱模型的控制律（即在沒有碰撞的情況下預(yù)期的瞬時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)矩）進(jìn)行比較，如果出現(xiàn)偏差則表明發(fā)生了碰撞，通過考慮使用自適應(yīng)順應(yīng)性控制，這個(gè)方案得到改進(jìn)。由于控制力矩的動(dòng)態(tài)特性變化很大，碰撞檢測閾值的整定仍比較困難。另外一種實(shí)現(xiàn)碰撞檢測和隔離的一種方法是使用敏感皮膚，根據(jù)機(jī)器人表面的壓力傳感器檢測外力。這種方式檢測靈敏，精度很高，但成本過高，裝配復(fù)雜。

3、碰撞隔離：知道機(jī)器人的哪個(gè)部分（例如，串聯(lián)機(jī)械手的哪一個(gè)環(huán)節(jié)）參與了碰撞，這是可以用于機(jī)器人反應(yīng)的重要信息。碰撞隔離的目的是定位接觸點(diǎn)，或者至少定位機(jī)器人的哪個(gè)關(guān)節(jié)發(fā)生碰撞。另一方面，前面提到的在中使用的監(jiān)控信號通常無法實(shí)現(xiàn)可靠的碰撞隔離（即使在機(jī)器人動(dòng)力學(xué)完 全已知的情況下）。方案一是依賴于名義期望軌跡的計(jì)算，通過反轉(zhuǎn)質(zhì)量矩陣來計(jì)算關(guān)節(jié)加速度，從而將單個(gè)連桿上碰撞的動(dòng)力學(xué)效應(yīng)擴(kuò)展到多個(gè)關(guān)節(jié)。方案二將加速度估計(jì)用于轉(zhuǎn)矩預(yù)測和比較，這樣引入了噪聲（由于位置數(shù)據(jù)的雙重?cái)?shù)值微分）和內(nèi)在延遲。這些方案的共同缺點(diǎn)是，由于機(jī)器人的動(dòng)態(tài)耦合，碰撞對連桿的影響會(huì)傳播到其他連桿變量或關(guān)節(jié)指令上，從而影響了隔離性能。

4、碰撞識別階段：有關(guān)碰撞的其他相關(guān)量是方向信息和廣義碰撞力的強(qiáng)度，包括在接觸處的作用力，和整個(gè)物理相互作用事件中產(chǎn)生的外部關(guān)節(jié)力矩。其基本思想是將碰撞視為機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的故障行為，而檢測器的設(shè)計(jì)利用了機(jī)器人廣義動(dòng)量的解耦特性。

5、碰撞分類階段：將碰撞分為是偶然的或有意的，輕的或嚴(yán)重的，甚至研究下碰撞的時(shí)域特征。

6、碰撞反應(yīng)階段：這個(gè)階段是確保機(jī)器人可以及時(shí)停止不傷害人類的重要階段。由于機(jī)器人高動(dòng)態(tài)和不確定性，碰撞反應(yīng)階段應(yīng)該在實(shí)時(shí)層實(shí)現(xiàn)，機(jī)器人的反應(yīng)策略應(yīng)該嵌入到最低控制層。例如，對碰撞最簡單的反應(yīng)就是停止機(jī)器人。然而，可能會(huì)使機(jī)器人不自然地約束或阻擋人類。7.碰撞后階段：一旦碰撞反應(yīng)后達(dá)到安全狀態(tài)，解除了對人類的威脅之后，機(jī)器人應(yīng)自主決定是嘗試恢復(fù)原始任務(wù)，還是放棄它。例如，如果碰撞被歸類為故意的，機(jī)器人可能會(huì)意識到人類的愿望是開始一個(gè)特定的物理協(xié)作。

       以上是對于協(xié)作機(jī)器人的碰撞保護(hù)概念的介紹，通過碰撞保護(hù)的七個(gè)階段，了解碰撞保護(hù)的步驟和應(yīng)用。相信通過上述介紹，能夠幫助大家更好地了解碰撞保護(hù)，在之后的學(xué)習(xí)中能夠通過理論與實(shí)際的聯(lián)系更好的深入掌握碰撞保護(hù)機(jī)制和原理。