載人六足機器人人機功能分配及操縱系統設計

尤波　蔡佳龍　許家忠　李佳鈺　丁亮　高海波

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摘要：針對機器人自主控制的現有成果還不能完全適應其惡劣環境的全面要求的問題，開發一套操控功能齊全、實時性以及穩定性良好的人工操控系統便成為現階段機器人平穩安全完成任務的必要前提。在前期已開發出的六足機器人操縱硬件系統的基礎上，提出了一種融合了情景意識原則和人機功能分配原則的操縱模式，建立了多目標模糊決策模型并計算得出最佳的分配方案，最后以貝加萊控制器為核心控制器，設計出一套六足機器人操縱系統，實現了對機器人狀態監控的實時性及運動操控的精準性的同時，驗證了所提出人機功能分配算法與系統操縱性的良好融合性，為今后設計載人六足機器人的操縱系統提供參考依據。

關鍵詞：載人六足機器人；情景意識；人機功能分配；多目標模糊決策型

中圖分類號：TP273 文獻標志碼：A 文章編號：1007-2683（2017）01-0048-06

0 引言

與傳統的輪式和履帶式機器人相比，仿生足式機器人在危險探測、搶險、山地運輸等復雜環境下具有更強的地形適應能力，仿生機器人已成為機器人學中一個引人注目的研究領域，各國都投入大量的經費和人員進行研究。根據其結構特點，它具備了有足生物落足點離散的行走特點，具有對路面環境要求低的優點，它可以自由跨越障礙物、趟過沙地、掠過沼澤等特殊路面。它極強的地形適應能力、行走過程平穩、肢體存在冗余等方面，使仿生六足機器人更能夠獨立、可靠的適應復雜環境下的運輸、偵查以及外星環境探測等各種非結構化作業環境中的工作。

對于現代化的六足機器人來說，面向的工作場合都比較復雜、惡劣，而從國內外對其自主控制算法的研究上來看，還不能完全保證機器人平穩工作的安全性，因此采用人機協同操縱的方式現在看來是必不可少的。與機動車駕駛員駛員相比，足式機器人駕駛員的操縱從重復性的手動操縱模式轉換為集監控、判斷、決策、執行等一系列復雜的感知控制為一體的操縱模式，這導致了駕駛員的需求信息與傳統的輪式車輛相比信息量更大，判斷更復雜、在決策和執行環節中更易出錯。在人和機器的功能分配中，綜合考慮人和機器的各自特點，既要充分發揮人的主觀能動性又要發揮機器的最佳性能，從而使人與機器共同有效的一起工作。六足機器人的操縱系統作為駕駛員與機器人的交互接口，其設計的合理與否關系到駕駛員對環境的監測信息的合理性、判斷、決策和執行操作的難易程度，以及機器人能否正確、安全、穩定的運行。

本文為保證六足機器人操縱系統設計的合理性、可行性以及人機系統中人與機器性能發揮性能的最佳性。首先對情景意識原則和人機功能分配原則進行分析和應用，并建立多目標模糊決策模型計算得出最佳的分配方案，同時通過硬件搭建和軟件的架構的開發，設計出了一套六足機器人操縱系統。最后，根據實驗數據驗證了操縱系統的合理性和可行性。

1 操縱系統設計原則及控制策略

1.1 情境意識原則

情境意識概念最早出現在航空心理學中，描述飛行員對作戰飛行操縱的理解，隨著科技的進步，操作人員的工作由過去以“操作”為主變為監視一決策一控制，操作任務的認知特性也不斷增加。在復雜、動態變化的信息環境中，情境意識是影響操作者決策和績效的關鍵因素。研究表明，在一般的駕駛操縱事故中，71%的事故涉及人為差錯，這其中81%的事故涉及情境意識錯誤。因此，融合情境意識原則對整個載人足式機器人的操縱的安全性起著至關重要的作用。

情景意識最廣泛的定義是Endsley提出的，她提出情境意識就是在一定的時間和空間內，對環境各組成要素的知覺、理解，以及對其近期未來狀態的預測。從簡單意義上來說，情境意識就是操作人員通過自身的知識、能力經驗、感知能力等對所處環境的認知和理解，以此來預測未來的情境。情境意識的基礎主要來源于人對環境中相關成分的感知，而人在感知后做出的相應決策和動作執行屬于情境感知的不同階段。在人-機器-環境系統中，人通過對機器運行環境的感知信息和機器的狀態信息二者進行融合，并通過自身的知識儲備從而進行操縱的決策和動作的執行。對于操縱系統而言，駕駛員對于環境信息的感知，既包括機器所處環境的感知也包括機器當前的狀態的讀取。

人的情景意識為一個閉環系統，Endsley情境意識模型如圖1所示，人們對情境的感知并非是唯一的，對其影響的因素有很多，其中包括工作負荷、能力經驗訓練等；情境意識的結果將影響操縱人員的決策和最終的動作執行，因此要將情景意識理論融入到操縱系統的設計當中。根據情景意識模型在設計本操縱系統時需考慮以下兩點：反饋

1）在情景感知環節，對于操縱人員來說，從環境中進入到操作人員大腦的信號是未經過任何處理的，操縱人員需要通過自身的“濾波器”過濾掉無意義的信息，而人的注意力資源是有限度的，因此在設計操縱系統之時需要考慮“噪聲”信號對操縱人員的影響，設計人機交互界面時盡可能的提取簡單、直觀、易于理解和判斷的信號。

2）考慮到不同的人的能力經驗是有差異的，而操縱人員的決策對于機器人的運行模式是否合理起著至關重要的作用，為了使駕駛員能夠根據實時的環境信息進行準確的決策，編寫通用的調用規則，針對不同的環境給出相應決策意見，使操縱人員的決策更加快捷準確。

1.2 操縱系統控制策略

駕駛員根據實際的環境與機器人的狀態信息來判斷需要運行的控制策略，控制策略主要為3類：人主機輔控制、機主人輔控制、共同控制。

人主機輔控制：以人工操縱為主，機器控制為輔的控制策略。當機器人所處環境比較艱難且無法自主行進時，采用人主機輔方式來達到控制機器人行進的目的。在此控制策略下，駕駛員主要負責手動操縱機器人來完成復雜、艱難的任務，機器主要通過駕駛員下發的指令來執行，由于駕駛員在操縱過程中會存在誤操縱，或者操縱過量等問題，因此機器的輔助系統會根據傳感器的返回數據值彌補操縱人員的操縱失誤與不足，輔助操縱人員的控制。

機主人輔控制：以機器自主操縱為主，人工協助控制為輔的控制策略。六足機器人在滿足其自主運行的環境中，選擇此控制策略，當操縱人員下達行進指令后，機器人可根據不同的地形進行自主確定行走路徑，通過機身的傳感器進行環境感知，可在遭遇大型障礙時自動躲避障礙等。

共同控制策略：機器與人共同控制。當機器與人無法單獨完成某任務或共同控制可使任務的執行效果達到最佳時，采用共同控制策略。例如對于機器人需要跨越可逾越障礙這一任務時，機器人本身可自主進行但可靠性很差，對駕駛員的安全產生一定的威脅。而駕駛員手動操縱無法滿足操縱效率的要求。因此可采用共同控制策略，駕駛員除了要對運行狀態進行監控以外，還要適當的控制行進速度和行進方向，同時面對可逾越的障礙時可加入人工干預達到壁障的目的，在遭遇可預見危險時及時給出安全的控制決策。

以上3種控制中人主機輔控制屬于手動控制，機主人輔控制屬于自動控制，共同控制策略屬于人機合作的控制策略，在操縱系統的設計時，將操縱系統的功能進行相應的劃分和規劃，駕駛員可根據自身的知識和經驗判斷選擇。這樣動態的選擇機器的運行模式可大幅度增加系統運行的可靠性，提高機器的靈活度，降低操縱的復雜程度，同時為接下來人機功能分配提供一個指向。

2 操縱系統的人機功能分配

2.1 人機功能分配模型的建立

人機功能分配作為操縱系統設計的指導原則，在分配上應充分考慮人的差異性對系統執行的影響，因此在功能分配上設計者應考慮操縱系統的通用性，以及人機功能分配的合理性，從而使系統與人達到最合理的匹配性，發揮人的主觀能動性和機器的最佳性能。在許多方面下操作人員的優點恰好是機器存在的缺點，而機器的優點又恰好是操縱人員的不足。因此根據人與機器的各自特點，才能使操縱系統與機器人達到協調統一。

在對人機功能進行分配時需考慮的指標主要有：操縱要求、操縱人員工作效率、操縱負荷、操縱人員的安全性、任務執行的可靠性等。根據以上指標可以引入一個廣義的多目標模糊決策模型，即

目標函數

（1）

約束條件式中：f為功能分配目標函數，如系統安全性最高或者整體效率最高等；x_i為人在方案m_i下狀態變量，如操作效率、操縱負荷；y_i為機器在方案m_i下狀態變量；m_i為相應于各狀態變量的功能分配方案；F_i為針對上述狀態變量建立的功能分配方案m_i的約束函數；s為六足機器人“人-機-環境”系統變量空間，由m_i與y_i組成，也可統稱為因素指標集合，即所有的約束函數都必須在給定的機器人“人-機-環境”系統條件下進行；n為功能分配的方案總數。

2.2 人機功能分配應用

應用多目標模糊決策模型進行人機功能分配，本文采用以下幾個步驟進行實施。

1）操縱系統綜合分析；

2）整體方案設計；

3）系統人、機功能分配方案的確定；

4）以操縱人員操縱效率、操縱要求、操縱人員安全以及操作負荷為狀態變量建立目標函數并給出方案的約束條件；

5）比較各個方案確定系統最佳的人機功能分配方案。

六足機器人操縱系統主要負責機器人運行狀態的監測，行進方式決策，以及遭遇突發事件的處理等?，F根據行進方式決策中跨越障礙控制方式按照多目標模糊決策模型進行分析。

由多目標模糊決策理論、式（1）及表1可知，決策論域U以操縱系統的控制策略為指導因此設U={手動控制，自動控制，共同控制}={m₁，m₂，m₃}

因素指標集合S={操縱效率，操作要求，操縱負荷，安全性，可靠性}={s₁，s₂，s₃，s₄，s₅}為確定各約束函數值組成的因素指標值矩陣F，現給出不同的分配方案下各個功能需求的約束函數的相對值，如表1所示。

由各約束函數值組成的因素指標值矩陣F為式中i=1，2，3；j=1，2，…，5.

通過前期已開發的操縱系統的實際經驗，確定各因素指標的權值向量A為

A=[a₁，a₂，a₃，a₄，a₅]^T

=[0.83，0.92，0.6，0.81，0.91]^T

在確定各狀態變量的標準約束函數值向量時，需選取各個約束函數的值；而在上述因素指標中當約束函數值與方案的優劣成正比時選取其最大值（操縱效率，操作要求，安全性，可靠性）；當約束函數值與方案的優劣成反比時選取最小值（操縱負荷）；因此各狀態變量的標準約束函數值向量式中

3 操縱系統設計

3.1 操縱系統硬件設計

通過對機器人的控制策略分析，為滿足操縱系統需滿足的要求及實驗平臺的具體功能需求，操縱系統硬件結構圖如圖2所示。仿真平臺的硬件結構包括操縱系統和搭載Vortex環境的PC機，機器人操縱系統硬件架構包括：人機交互設備、主控制器、通訊模塊、數據采集模塊、操縱輸入設備。其中人機交互設備主要負責駕駛人員的操縱控制和顯示當前的所需信息；主控制主要對觸摸屏和操縱輸入設備的數據進行采集并按照程序做相應的處理，同時與機器人PC機進行實時通訊達到實時控制機器人的目的。

根據六足機器人整體的結構特點和功能需求分析，操縱系統硬件需滿足：操縱系統長時間運行的可靠性、操縱系統的實時性、人機交互的合理性和易用性、可擴展性及易開發性。根據市場進行調研分析，選用奧地利的貝加萊工業控制器組件為操縱系統的主要部件來搭建操縱系統，該控制系統以Vxworks實時操縱系統為底層操縱系統，結構精簡緊湊、響應時間短、傳輸速度快、穩定性高、可擴展性強，同時開發環境集成化避免了繁瑣的開發過程，滿足操縱系統的各方面需求。

3.2 操縱系統軟件設計

操縱系統軟件設計是系統的核心，根據之前提出的人機功能任務分配與控制策略，涉及到操縱系統軟件設計的主要包括：用戶界面設計、數據采集與處理，數據通訊系統，因此操縱系統的軟件設計的合理性關系到駕駛員操縱的效率、是否容易誤操作和機器人執行的正確性、穩定性等。下面對軟件設計的主要內容進行詳細說明：

1）用戶界面設計

用戶界面作為駕駛員與機器的信息交互界面，在操縱系統中起著關鍵性的作用，根據情境感知模型結合操縱系統，駕駛員在獲取機器人外部運行環境與機器人狀態信息后，經過自身的知識理解將信息進行過濾與融合，通過自身的操縱方案的儲備進行決策和執行。由于操縱人員信息的獲取、命令的下發都要經過人機交互設備來實現，因此本操縱系統的用戶界面開發按照以下3點進行，操縱界面如圖3所示。①由于操縱人員通過環境感知的信息較多且注意力是有限的，因此采用圖形化代替傳統的數值輸出來顯示機體穩定裕度和腿部操縱范圍，來使駕駛員直觀的監控機器人的關鍵信息，減少了過多的思考時問，同時可使得駕駛員高效的做出決策。②在重要功能之間切換時，通過后臺程序讀取當前機器人狀態指標并進行計算，彈出建議對話框輔助操縱人員確定可否執行當前操作。③界面按照功能類型進行分區規劃，增加切換功能，使不同的頁面之間能夠靈活的切換。

2）數據采集與處理

在操縱系統人機功能分配中，機器的主要工作為處理大量的數據，循環執行邏輯判斷以及在駕駛員面臨決策時通過數據分析給出決策建議等，因此操縱系統的數據采集與處理程序主要用于完成六足機器人的操縱指令的采集與邏輯運算、返回數據的處理、界面圖形驅動等，其中主邏輯流程圖如圖4所示，主邏輯程序主要完成相關參數初始化及各個子函數有序工作。

3）通訊設計

操縱系統與PC機主要采用CAN總線通訊的方式來完成數據交互，主要包括發送操縱指令和接受機器人的狀態信息，其發送方式采用查詢方式發送20ms進行查詢一次檢測緩沖區是否有發送數據包，如果有則啟動發送程序；讀取方式為啟動程序是即啟動讀取程序，每20ms讀取一次緩沖區查看是否有命令包，若有則從緩沖區讀取數據。

4 實驗數據分析

4.1 通訊數據分析

本文已完成六足機器人操縱系統的硬件的搭建和軟件的開發工作，下面對操縱系統進行實驗數據分析。本操縱系統控制基于Vortex環境下搭建的虛擬六足機器人，當操縱人員通過操縱系統發送行進模式行進指令后，機器人開始執行相應指令的行進模式，操縱系統可根據返回的各個關節角度值驅動圖形顯示，因此數據的正確與否關系到駕駛員對機器人狀態的監控可靠性，通過讀取返回的數據進行分析來判斷是否符合當前的狀態。在機器人腿部擺動頻率設為pi/20時，機器人依次以二步態、三步態、六步態行進時各關節角度曲線如圖5所示，實驗分析表明，接受數據與實際數值相同，數據讀取正常。

4.2 操縱時間分析

眾所周知，只有在適度的任務分配下才能充分發揮人的工作效率。如果工作分配不緊湊，操縱人員的注意力不能連續集中，在執行目標任務時發生的緊急事件不能及時的做出處理，導致事故的發生；而如果任務過分集中，操縱人員的能力有限，無法完成所要求的任務從而導致任務的終止或嚴重的事故發生。因此在實際操縱過程中記錄操縱人員在執行每個功能時所耗時間以此來分析操縱系統人機功能分配是否合理。

在二、三、六步態行進操縱中，當操縱人員得到操縱指令后操縱一般分為6個步驟：①駕駛員大腦響應；②監視所有數據判斷是否可操縱；③按下功能指令；④按下確定指令；⑤再次確認關鍵參數；⑥行進觸發。3種基本行進步態下每一個步驟操縱人員所需的時間記錄數據圖如圖6所示，由圖可知在3種步態下每一個步驟所需的時間相差不多且各相鄰步驟間無連續大強度操縱，在長時間的操縱過程中無心理壓力與疲憊感，滿足操縱系統的預期效果。

5 結論

本文以融合情境意識為目的開發了操縱界面，應用多目標模糊決策模型計算得出最優的人機功能分配方案并對基本功能進行了功能分配。利用貝加萊控制器開發了六足機器人操縱系統，經過實驗驗證和分析，操縱系統運行穩定，操縱任務強度適度、系統響應時間快，人機交互信息無誤、清晰明了，達到了預期的目標，實現了對虛擬機器人的控制。

（編輯：溫澤宇）