Physical Human-Robot Interaction

• 又称: pHRI
• 类别: Control › Human in the loop
• 标签: human-robot-interaction, safety, contact, force-control, assistive-robotics

机器人与人通过直接或间接的物理接触交换力的交互，无论是计划内的（如引导或辅助），还是计划外的（如碰撞）。

定义

物理人机交互（pHRI）（physical human-robot interaction）涵盖机器人与人之间交换力的所有情形，无论是直接接触，还是通过一个共同的物体。接触可以是有意的，例如工人用手引导协作机械臂、康复机器人带动患者的肢体运动、外骨骼辅助行走，或护理机器人梳头或帮人穿衣。接触也可以是无意的，例如运动中的机械臂撞到人或夹住一只手。pHRI 系统必须同时处理这两种情况：它必须通过接触完成有用的工作，同时把作用在身体上的力和压强保持在安全、舒适的范围内。

这一领域涉及几个层面的工程。机械设计通过较小的运动质量、衬垫、圆角、可反驱的传动以及串联弹性执行器或软手指等被动柔顺，来减少机器人在接触时可能造成的伤害。传感让机器人知道接触正在发生以及接触有多强，所用手段包括力/扭矩传感器、关节力矩传感器、触觉皮肤，或基于电机电流和动量观测器的估计。控制决定机器人如何响应：阻抗控制器和导纳控制器让机器人表现得像弹簧和阻尼器，而不是一个刚性的位置伺服；碰撞检测和反应策略在检测到意外接触时停止、回撤或切换到柔顺模式。ISO 10218 等工业机器人安全标准及其关于协作操作的指南，描述了手动引导以及功率和力限制等建立在这些思想之上的模式。

pHRI 的范围比本站上任何单一技术都要宽。协作机器人是为它设计的一类机器人，阻抗控制是它常用的一种控制方法；pHRI 是同时包含这两者的问题领域，还包括损伤生物力学、用户舒适度和信任。与头部和面部等敏感部位的接触，例如在头发护理或喂食中，会进一步提高要求，因为可接受的力更低，而人自身的运动也更难预测。

为何重要

越来越多的机器人正离开围栏隔离的工作单元，在人旁边和人身上工作：在工厂、康复诊所、家庭和护理场所。任何需要接触人、或有意外接触人风险的任务，都需要把机器人的机械结构、传感和控制放在一起，为安全接触进行设计，而 pHRI 正是完成这件事的知识体系。

主要应用

• 工业机械臂的手动引导和协作装配
• 康复机器人和动力外骨骼
• 喂食、穿衣、洗澡和头发护理等辅助护理任务
• 在人附近工作的操作臂的碰撞检测和反应
• 带物理反馈的力觉遥操作和共享控制

实际应用

一个团队打造了一台梳理和解开头发的机器人。他们在一只轻量的机械臂上安装柔软、柔顺的手指，这样即使对头部位置的估计有偏差，造成的也只是轻轻一压，而不是一次猛烈的撞击。腕部的力/扭矩传感器测量接触力，导纳控制器让机械臂沿头部表面顺从移动，同时以一个较小的目标力保持梳子贴紧。软件限制在面部附近限定速度和力；如果测得的力超过阈值或上升得比预期快，机械臂就会停止并后退。在与人一起测试之前，团队先在装有测力传感器的人体模型头部上检查受力，然后开展用户测试，同时记录测得的力和参与者报告的舒适度。

常见误解

• pHRI 只意味着避免碰撞 — 它还涵盖有意的接触，此时机器人必须对人施加有用的力
• 协作机器人能让任何任务在物理交互中都变得安全 — 安全取决于整个应用，包括工具、负载、速度以及可能被接触到的身体部位
• 仅靠柔软的硬件就能解决 pHRI 安全问题 — 柔顺能降低冲击力，但仍然需要传感、控制限制和风险评估
• 测得的接触力是唯一重要的量 — 压强、接触持续时间、身体部位以及人能否移开，都会影响受伤风险和舒适度

谁需要了解

• 设计协作和辅助操作臂的工程师
• 康复和外骨骼开发者
• 实现力控制、阻抗控制和碰撞处理的控制工程师
• 开展涉及触碰的研究的 HRI 研究人员

相关技术

• 导纳控制（Admittance Control）
• 基于动量的碰撞检测（Momentum-Based Collision Detection）
• 串联弹性执行器（Series Elastic Actuators）
• 触觉皮肤（Tactile Skins）
• 功率和力限制（Power and Force Limiting）

相关术语

• Cobot
• Impedance Control
• Sensorless Force Estimation
• Protective Stop
• Pinch Point
• Perceived Safety

相关项目

• Drake: MIT robotics toolbox for model-based dynamics, optimization, and control system design
• Reachy Mini: Open-source desktop robot from Pollen and Hugging Face with an expressive 6-DoF head
• RAI: Vendor-agnostic agent framework for ROS 2 robots and physical AI
• NASA Ogma: NASA runtime monitor generator for safe robotics and flight systems
• Assistive Gym: Physics simulation framework for training assistive robots in caregiving tasks