遙操作機(jī)器人系統(tǒng)主從控制策略

盛國棟, 曹其新

(上海交通大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院,上海 200240)

主從遙控機(jī)器人可以在非結(jié)構(gòu)性環(huán)境下(空間、深海、醫(yī)療等) 進(jìn)行復(fù)雜的操縱作業(yè)(如航天器的裝配、維修).操作者的操縱質(zhì)量與對“從環(huán)境”信息(包括: 力覺、視覺等) 的真實(shí)獲得能力密切相關(guān), 借助于力覺臨場感功能, 可以使操作者真實(shí)地感覺到機(jī)器人與被操作物體的動(dòng)態(tài)相互作用, 這有助于操作者完成復(fù)雜精密的作業(yè)[1].此外,在醫(yī)療等方面,為防止射線對醫(yī)生的危害,常搭建信號(hào)傳輸距離很短的主從機(jī)器人系統(tǒng),如da Vinci robot[2],這類機(jī)器人系統(tǒng)具有精度高、延時(shí)小的特點(diǎn).

雙邊控制是指主手和從手間的運(yùn)動(dòng)和力信息的交互反饋控制,文獻(xiàn)[3]在處理遙操作焊接機(jī)器人時(shí)采用絕對坐標(biāo)的位置映射,其位置控制策略采用速度邊界條件和工作空間邊界條件,較為繁瑣.文獻(xiàn)[4]采用雙向位置反饋來實(shí)現(xiàn)力覺臨場感, 但由于主從手間無法消除的位置誤差, 使系統(tǒng)在自由空間運(yùn)動(dòng)也顯得十分“遲滯”,力覺臨場感較差, 直接影響系統(tǒng)的操作性能.基于傳感器技術(shù)的提高,采用高性能的傳感器實(shí)現(xiàn)主從手間的雙向力覺反饋,文獻(xiàn)[5]為解決從手運(yùn)動(dòng)速度較快時(shí)易與環(huán)境發(fā)生碰撞造成損壞的問題,引入了一系列復(fù)雜的力函數(shù),控制復(fù)雜且位置控制精度會(huì)受其影響.文獻(xiàn)[6]提出的雙邊控制算法引用絕對穩(wěn)定思想,以時(shí)延相關(guān)穩(wěn)定性代替時(shí)延無關(guān)穩(wěn)定性,犧牲一部分不必要的穩(wěn)定性, 證明了對某一給定的參數(shù)均能保證時(shí)延小于某一值時(shí)系統(tǒng)都穩(wěn)定, 同時(shí)使力反饋時(shí)延遙操作系統(tǒng)的性能得到很大的改善.文獻(xiàn)[7]針對遙操作機(jī)器人系統(tǒng)通信時(shí)延引起系統(tǒng)不穩(wěn)定以及性能下降等問題研究了一種采用阻抗匹配方法分析系統(tǒng)在有時(shí)延和無時(shí)延情況下透明性的新方法在保證穩(wěn)定的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了良好的透明性.

針對以上問題,文中搭建了一套適用于醫(yī)療和裝備維修的小延時(shí)主從式機(jī)器人系統(tǒng),并對其位置控制策略及力反饋策略做了相應(yīng)研究.

1 主從式機(jī)器人系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)總體描述

該系統(tǒng)包括主手、從手、主控計(jì)算機(jī)、顯示設(shè)備、從手前端工具、網(wǎng)絡(luò)攝像頭、工具末端攝像頭及網(wǎng)絡(luò)傳輸部分.該系統(tǒng)采用主從操作方式(圖1)，其中主操作手為Force Dimension公司的Omega.7,該裝置具有較好的力反饋功能;從操作手為丹麥的Universal Robot(UR),具有高靈活度、輕便等特點(diǎn);末端工具安裝有六維力傳感器,可檢測環(huán)境中的力信息并反饋至主手,從而使操作者獲得較好的力覺臨場感;整個(gè)過程中,網(wǎng)絡(luò)攝像頭獲得從手四周的三維環(huán)境,工具末端攝像頭為操作從手提供更精確的局部圖像,二者的視頻圖像傳輸回主控計(jì)算機(jī),操作者可以通過顯示設(shè)備實(shí)時(shí)觀察從手的工作情況和三維環(huán)境中的障礙物情況并根據(jù)障礙物分布遙操作從手,實(shí)現(xiàn)有效的避障,工具末端攝像頭隨末端工具一同移動(dòng),可反饋給操作著更加清晰地局部圖像,提高從手的工作精度.

圖1 主從式機(jī)器人系統(tǒng)Fig.1 Master-slave robot system

1.2 系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)采用雙邊控制,主手將位置信息發(fā)送至從手控制器,從手控制器處理后將數(shù)據(jù)發(fā)送至從手,從手實(shí)際位置信息又反饋回主手構(gòu)成位置反饋,從手與環(huán)境之間的力信息直接通過力傳感器采集并發(fā)送至主手,此外, 為解決從手運(yùn)動(dòng)速度較快時(shí)易與環(huán)境發(fā)生碰撞造成損壞的問題,將主從位置誤差用于位置反饋的同時(shí)也用于系統(tǒng)的力反饋控制策略中,其控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2.圖中:Xm為主手的位移增量,矢量;Xs為從手實(shí)際的位移增量,矢量;Xer為主手與從手的位置誤差,矢量;Ke為主從位置誤差參與力反饋的增益常量;Fc為主從位置誤差轉(zhuǎn)換所得的力反饋分量,矢量;Fh為手施加給主手的力,矢量;Fe為從手與環(huán)境之間的力,矢量;Fs為從手控制力,矢量;Fb為反饋至主手的力,矢量;K為比例控制增益系數(shù),6×6矩陣;IK為運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解;FK這為運(yùn)動(dòng)學(xué)正解.

圖2 系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)Fig.2 Control structure of the system

2 位置控制

2.1 增量式工作空間映射

當(dāng)系統(tǒng)采用絕對坐標(biāo)控制位置時(shí),主手工作空間原點(diǎn)與從手工作空間原點(diǎn)是固定的,當(dāng)系統(tǒng)開始工作時(shí),主手和從手都要先完成回原點(diǎn)的初始化工作,這對一些要求機(jī)器人姿態(tài)特殊的場景是及其不便的.

本系統(tǒng)采用增量式位置控制方式(圖3),系統(tǒng)開始工作時(shí),主手任意初始位置為原點(diǎn),從手工具末端初始位置為其對應(yīng)的坐標(biāo)原點(diǎn),有效地避免了初始回原點(diǎn)的繁瑣操作.

然后主手以一定頻率讀取其增量值Xm,如式(1),乘以一個(gè)系數(shù)K,得到從手位置增量KXm,再由式(2)得到從手目標(biāo)位姿,通過逆解運(yùn)算得到機(jī)械臂各關(guān)節(jié)的角度,再由TCP/IP發(fā)送至從手,從手接收到指令完成相應(yīng)運(yùn)動(dòng),并通過將數(shù)據(jù)反饋回主控計(jì)算機(jī)保證其位置控制精度.

Xm=Mf-Mi

(1)

Xf=Xi+KXm

(2)

此外,在使用該位置控制策略時(shí),當(dāng)操作者直接觀察被操作環(huán)境信息時(shí)與操作者通過圖像設(shè)備觀察被操作環(huán)境信息時(shí),主從間位置對應(yīng)不同,可通過調(diào)整矩陣K進(jìn)行主手與實(shí)際環(huán)境或主手與圖像設(shè)備的坐標(biāo)匹配,進(jìn)而獲得較好的視覺臨場感[8].

圖3 主從工作空間映射Fig.3 Master-slave workspace mapping

2.2 變比例控制

主手與從手的工作空間一般是不同的.提高主手的工作空間與從手的工作空間比可提高機(jī)器人控制的精度；相反,減小主手與從手工作空間的比值則降低機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的精度[3].為滿足不同情況下,從端機(jī)械臂快速與慢速移動(dòng)靈活切換的要求,本系統(tǒng)依據(jù)主端位移增量的范圍采用變比例控制的方式.具體如表1,其中位移增量Xm的采樣周期為100 ms.

表1 從端增量計(jì)算方法Table 1 Incremental calculation method of slave robot

如表1所示,當(dāng)主手端位移增量的絕對值小于0.001m時(shí),則認(rèn)為是由于操作者抖動(dòng)引起的誤差,此時(shí)增益系數(shù)K為0,從端不動(dòng);當(dāng)主端位移增量的絕對值在0.001～0.005 m時(shí),實(shí)現(xiàn)主從縮小比例(2∶1)的控制,可實(shí)現(xiàn)從端小范圍高精度的操作;當(dāng)主端位移增量的絕對值在0.005～0.01 m時(shí),實(shí)現(xiàn)同比例(1∶1)的控制,在由從端快速運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)到慢速運(yùn)動(dòng)過程中起緩沖作用,避免了由于加速度過大帶來的機(jī)械臂震蕩;當(dāng)主端位移增量的絕對值在0.01～0.015 m時(shí),實(shí)現(xiàn)主從放大比例(1∶2)的控制,適用于從手工具末端距離目標(biāo)點(diǎn)較遠(yuǎn)時(shí)的快速靠近.

3 力反饋控制

從手工具端使用力傳感器可以很好的獲得末端工具與外界環(huán)境之間的作用力,將獲得的力反饋至主手可使操作者獲得較好的力覺臨場感;但是進(jìn)一步為了解決從手自由運(yùn)動(dòng)且速度較快時(shí)突然與外界環(huán)境發(fā)生碰撞造成損壞的問題,將主從位置誤差引入系統(tǒng)力反饋控制策略,由圖2可得:

Fc=-Ke(Xm-Xs)

(3)

Fb=Fc+Fs

(4)

反饋至主手的力Fb包含了主從位置誤差,當(dāng)主從位置誤差較大時(shí),反饋至主手的反向力也增大;當(dāng)主從位置誤差較小時(shí),反饋至主手的反向力也減小.使用這種方法,系統(tǒng)的透明性會(huì)有所降低,即當(dāng)從端自由運(yùn)動(dòng)時(shí),仍然有力信息反饋至主手,帶來一定的粘滯感,但該方法能夠有效地提高系統(tǒng)的安全性,避免了因從端速度過快操作者反應(yīng)不及時(shí)造成碰撞.此外,一旦因操作失誤系統(tǒng)與外界環(huán)境發(fā)生碰撞,即當(dāng)傳感器測得力發(fā)生較大幅度的突變時(shí)(此處設(shè)定閾值為10 N),則切斷主從映射并鎖死主手,從手沿碰撞力的方向運(yùn)動(dòng)至無碰撞的區(qū)域,當(dāng)測得力小于0.5 N時(shí),系統(tǒng)自動(dòng)重新建立主從映射,同時(shí)釋放主手,操作者可繼續(xù)控制從手.

由于文中所搭建的機(jī)器人系統(tǒng)傳輸距離很短(10 m左右),時(shí)延很小,所以使用文獻(xiàn)[6]中所提到的絕對穩(wěn)定思想,以時(shí)延相關(guān)穩(wěn)定性代替時(shí)延無關(guān)穩(wěn)定性.由于本系統(tǒng)時(shí)延可以忽略不計(jì),所以在參數(shù)Ke任意給定時(shí),都能夠滿足穩(wěn)定的條件.

另外,為了使操作者感覺不到力信息的抖動(dòng),獲得最佳的力覺臨場感效果,力反饋信息的更新頻率至少為1 000 Hz[9],因此文中采用1 000 Hz的頻率刷新力反饋信息.

4 實(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)果

4.1 位置控制策略驗(yàn)證

為了驗(yàn)證該方法的有效性,通過圖1所示的主從機(jī)器人系統(tǒng),采取主從1∶1的比例,在有位置反饋和無位置反饋時(shí)分別進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證.圖4為機(jī)器人沿單一方向運(yùn)動(dòng)時(shí)誤差的累積情況,從結(jié)果可以看出,該方法成功地消除了線性誤差的累積,保證機(jī)器人在大范圍內(nèi)的精確度;進(jìn)一步在有反饋情況下驗(yàn)證了機(jī)器人各方向運(yùn)動(dòng)時(shí)主從位置跟蹤的準(zhǔn)確性.圖5表示機(jī)器人在Y方向上主從位置跟蹤的情況,結(jié)果顯示系統(tǒng)的位置控制具有較高的準(zhǔn)確性,此外,實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示系統(tǒng)時(shí)延很小(小于0.03 s)(圖6).

圖4 機(jī)器人位置控制誤差結(jié)果Fig.4 Results of position control error

圖5 主從位置曲線Fig.5 Position of the master and slave

圖6 位置控制時(shí)延Fig.6 Time delay of position control

4.2 力反饋策略仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)證力反饋策略的有效性,文中用MATLAB/Simulink進(jìn)行了仿真(圖7),其中虛擬環(huán)境力Fe由信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的square波表示,omegaposition.mat為主手增量的采樣數(shù)據(jù),realposition.mat為從手增量的采樣數(shù)據(jù),計(jì)算其誤差乘以增益Ke并與環(huán)境力一起反饋至主手.根據(jù)位置控制驗(yàn)證,力反饋仿真圖中,延時(shí)環(huán)節(jié)設(shè)為0.03 s,環(huán)境力Fe與反饋力Fb的仿真結(jié)果如圖8,結(jié)果表明:該方法能夠有效的實(shí)現(xiàn)力反饋,并且由計(jì)算主從位置誤差引入的系統(tǒng)時(shí)延很小,能夠滿足力反饋的實(shí)時(shí)性要求.

圖7 仿真示意圖Fig.7 Simulation diagram

圖8 仿真結(jié)果Fig.8 Simulation results

4.3 力反饋策略實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

使用圖1中系統(tǒng)進(jìn)行主從操作實(shí)驗(yàn),通過操作力覺交互設(shè)備在木板上打孔實(shí)驗(yàn),測得的力與位置數(shù)據(jù)(圖9).

從圖中數(shù)據(jù)可以看出,系統(tǒng)在自由運(yùn)動(dòng)、接觸運(yùn)動(dòng)和鉆孔運(yùn)動(dòng)過程中都能夠有效地實(shí)現(xiàn)力反饋,且在圖中A點(diǎn)位置,可以看出當(dāng)主從位置誤差增大時(shí),系統(tǒng)反饋至主手的力也在傳感器所測力的基礎(chǔ)上進(jìn)一步增大,較大的反饋力對主手的運(yùn)動(dòng)起到限制作用,防止了主從誤差的進(jìn)一步增大,提高了系統(tǒng)的準(zhǔn)確性.此外,在自由運(yùn)動(dòng)時(shí),從端沒有任何受力,但由于主從位置誤差的存在,主手能夠感受到反饋力的存在,雖然這會(huì)在一定程度上降低系統(tǒng)的透明性,但由于反饋力很小,所以不影響操作者正常操作,因此，本系統(tǒng)能夠在各種情況下都能夠?qū)崿F(xiàn)很好的力反饋.

5 結(jié)論

搭建了一套主從式機(jī)器人系統(tǒng),并對其雙邊控制策略進(jìn)行了研究.采用增量式位置控制策略,易于建立主端與從端的工作空間映射,并使用位置反饋提高了系統(tǒng)的控制精度;解決了主從運(yùn)動(dòng)比例變化的問題;將主從位置誤差引入系統(tǒng)的力反饋控制策略,分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性,并通過實(shí)驗(yàn)手段及使用MATLAB/Simulink仿真的手段分別驗(yàn)證了主從機(jī)器人系統(tǒng)對位置控制策及力反饋策略的準(zhǔn)確性和有效性.

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