基于比例調(diào)壓閥的氣動(dòng)力覺系統(tǒng)開發(fā)

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(常州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 江蘇 常州 213016)

引言

在沒有臨場(chǎng)感的主從式機(jī)器手操作系統(tǒng)中,機(jī)器手嚴(yán)格按照操作者指令運(yùn)動(dòng)，機(jī)器手的實(shí)際位置與指令位置的誤差會(huì)帶來不必要的較大的接觸力或力矩，因此這種系統(tǒng)很難保證機(jī)器手工作的可靠性和操作對(duì)象的安全[1]。臨場(chǎng)感技術(shù)通過各種傳感器將從機(jī)器手與環(huán)境的交互信息實(shí)時(shí)反饋到本地操作者處，生成和從手工作環(huán)境一致的虛擬環(huán)境映射，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器手帶感覺的控制[2]，大大提高作業(yè)效率。在理想情況下,這些感覺包括人的各種感官信息,如視覺、聽覺、觸覺、味覺、力覺等。臨場(chǎng)感系統(tǒng)因其面對(duì)的任務(wù)不同,所需現(xiàn)場(chǎng)的信息有所不同。其中,力覺是最重要的信息[3]。

力覺反饋系統(tǒng)的主要功能是利用傳感器測(cè)量操作者的運(yùn)動(dòng)和位置，將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地輸入主控計(jì)算機(jī)，并且將執(zhí)行機(jī)構(gòu)與環(huán)境的力感反饋給操作者[4]。力反饋裝置主要有力反饋數(shù)據(jù)手套、 手控器、 操縱桿等。Immersion公司生產(chǎn)的已經(jīng)商品化的Cyber Grasp[5]，以電機(jī)驅(qū)動(dòng)力反饋裝置，每個(gè)手指獲得最大12 N 的反饋力，缺點(diǎn)是摩擦力和重量較大，操作者易疲勞。美國(guó)Rutger大學(xué)研制的Rutgers Master Ⅱ-New力反饋數(shù)據(jù)手套[6]，因其力反饋裝置安裝在手掌上,所以操作時(shí)手掌不能夠完全握緊。東南大學(xué)承擔(dān)了國(guó)家863計(jì)劃有關(guān)手控器研究的課題，研制了HC01型手控器[7]，采用直流力矩電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)裝置產(chǎn)生力矩反饋，具有工作空間大、精度高的特點(diǎn)。吉林大學(xué)研制的基于Stewart平臺(tái)的6自由度力反饋操縱手柄[8]，由電液伺服控制液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)力覺反饋，具有剛度大、承載能力強(qiáng)的特點(diǎn)，但其力矩求解計(jì)算復(fù)雜。

總的來說，以電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)輸出力/重量比較小，小型力覺裝置無(wú)法提供較大反饋力。液壓系統(tǒng)受密封性與油溫變化影響較大，整體要求較高。針對(duì)夾鉗式兩指主從機(jī)器手力覺臨場(chǎng)感的問題，本研究提出一種新型氣動(dòng)結(jié)構(gòu)，基于電氣比例調(diào)壓閥搭建了力覺系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)，分析了系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性。

1 氣動(dòng)力覺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)機(jī)械氣動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖1所示，主手主體結(jié)構(gòu)以手掌支撐板為基礎(chǔ)，旋轉(zhuǎn)氣缸定子與手掌支撐板固定，轉(zhuǎn)子與手掌固定。操作者拉動(dòng)指環(huán)使手掌繞固定軸做平面回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)子與絕對(duì)編碼器固定以獲取其角度信息。壓縮氣體經(jīng)管接頭通入旋轉(zhuǎn)氣缸內(nèi)腔，外腔與外界大氣連通，當(dāng)內(nèi)外兩腔產(chǎn)生壓力差，手掌帶動(dòng)指環(huán)對(duì)操作者反饋一定抗力。手掌尺寸依據(jù)人手設(shè)計(jì)，總體結(jié)構(gòu)緊湊、輕巧。主手主體材料選用鋁合金，具有良好的機(jī)械強(qiáng)度。

圖1 力覺系統(tǒng)主手機(jī)械氣動(dòng)結(jié)構(gòu)圖

1.2 力矩傳感器設(shè)計(jì)

應(yīng)變式電阻傳感器體積小，性能穩(wěn)定，靈敏度高，精度一般在3%FS以內(nèi)，廣泛應(yīng)用于應(yīng)力測(cè)量領(lǐng)域[9]。其基本原理是利用電阻應(yīng)變效應(yīng)△R/R=ε·K，其中，K為靈敏度系數(shù)，ε為應(yīng)變片軸向應(yīng)變。

圖2中，內(nèi)緊定螺釘固定力矩傳感器與轉(zhuǎn)子，外緊定螺釘固定力矩傳感器與定子。將一對(duì)電阻應(yīng)變片對(duì)稱黏貼如圖2所示懸臂兩側(cè)組成差動(dòng)半橋，以測(cè)量懸臂梁應(yīng)變量，電橋輸出電壓相對(duì)懸臂梁不受力時(shí)的變化量：

△U=U0·K·ε/2

(1)

圖2 力矩傳感器結(jié)構(gòu)圖

懸臂梁受力彎曲時(shí)表層正應(yīng)力σ=M/W，又因?yàn)棣?E·ε，可知ε=M/W·E，帶入式(1)，得：

△U=U0·K·M/2W·E

(2)

由式(2)可知△U與M成線性關(guān)系。其中，M為懸臂梁所受彎矩，U0為電橋供電電壓，W為懸臂梁抗彎截面系數(shù)，E為材料彈性模量。W=8×10-9m3，K=2.08，U0=5 V，E=70 GPa均為已知量。

1.3 位置傳感器選型與安裝

目前，位置傳感器通常使用光電編碼器，光電編碼器根據(jù)其輸出代碼的不同分絕對(duì)式與增量式兩大類。絕對(duì)式光電編碼器具有精度高、抗干擾能強(qiáng)、掉電記憶功能等特點(diǎn)，因此，廣泛應(yīng)用于機(jī)器人、精密機(jī)床等對(duì)精度要求比較高的場(chǎng)合。

圖3描述了絕對(duì)編碼器的安裝方式。轉(zhuǎn)子與絕對(duì)編碼器同軸，內(nèi)徑與之配作。由于編碼器軸已做削邊處理，方便用緊定螺釘與轉(zhuǎn)子固定。編碼器固定板與手掌支撐板螺紋連接。

圖3 位置傳感器安裝結(jié)構(gòu)圖

理論上，編碼器精度越高越好。考慮到編碼器與轉(zhuǎn)子直接用緊定螺釘固定，并沒有傳動(dòng)裝置，即傳動(dòng)比為1。HN3806A5V4096型絕對(duì)編碼器精度為0.088°，遠(yuǎn)大于人手對(duì)角度的識(shí)別。此外5 V的VCC與控制電路電平兼容，無(wú)需電平轉(zhuǎn)換，簡(jiǎn)化了控制電路設(shè)計(jì)。

2 氣動(dòng)力覺系統(tǒng)控制方式

2.1 主從機(jī)器手典型控制原理

文獻(xiàn)[10,11]對(duì)主從機(jī)器手雙向控制策略進(jìn)行了研究，公認(rèn)較好的算法為力反射伺服型雙向伺服控制策略。主手是力/力矩伺服控制系統(tǒng)，從手是位置伺服控制系統(tǒng)。如圖4所示，F(xiàn)o為操作者施加給主手的作用力，F(xiàn)e為從手受到被操作對(duì)象的作用力，F(xiàn)m為主手所受的反饋力，F(xiàn)s為從手的驅(qū)動(dòng)力，Mm、Ms為主手、從手力矩傳感器采集的力矩，Xm、Xs為主手、從手的位移。

圖4 力反射伺服度型控制原理圖

2.2 主手PID控制器控制原理

由圖4的分析可知主手控制器主要實(shí)現(xiàn)主、從手力矩信號(hào)的采集與主手執(zhí)行器的驅(qū)動(dòng)。但實(shí)際中，主從機(jī)器手進(jìn)行遙操作時(shí)，從手力矩信號(hào)難以由主手控制器直接采集，同理，主手的位移信號(hào)也難以由從手控制器直接采集。主、從機(jī)器手遙操作通常需要中間通訊環(huán)節(jié)來建立主、從手之間的聯(lián)系。

所以，本研究設(shè)計(jì)的主手PID控制器控制原理如圖5所示，控制器采集主手位移傳感器的位移信號(hào)Xm并發(fā)送至上位機(jī)，采集主手力矩傳感器的力矩信號(hào)Mm并從上位機(jī)接收從手反饋的力矩信號(hào)Ms，驅(qū)動(dòng)主手執(zhí)行器。

圖5 主手PID控制器控制原理圖

2.3 主手PID控制器位置控制

主手控制器即PID控制器由ATmega128單片機(jī)及其外圍電路組成。位置控制的作用是獲取主手實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)姿態(tài)傳遞給從手，即對(duì)主手絕對(duì)編碼器數(shù)據(jù)的采集與發(fā)送。

如圖6所示，絕對(duì)編碼器數(shù)據(jù)采集在40 ms T/C1定時(shí)溢出中斷子程序中進(jìn)行。單片機(jī)PC2、PC3口分別與編碼器數(shù)線DO相接，PC4為編碼器提供同步模擬時(shí)鐘信號(hào)CLK。主手旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)位移信號(hào)Xm1、Xm2，經(jīng)串口通訊發(fā)送至上位機(jī)以進(jìn)行從手位置控制。

圖6 主手PID控制器位置控制流程圖

2.4 主手PID控制器力矩控制

力矩控制是實(shí)現(xiàn)力覺臨場(chǎng)感的關(guān)鍵技術(shù)，也是氣動(dòng)力覺系統(tǒng)的核心。如圖7所示，ATmega128單片機(jī)上電初始化串口接收程序，串口接收中斷子程序中接收上位機(jī)間隔10 ms定時(shí)發(fā)送的反饋力矩信號(hào)Ms，力矩傳感器信號(hào)Mm1、Mm2經(jīng)LM124運(yùn)放電路接入單片機(jī)ADC0、ADC1口。單片機(jī)PB4、PB5口輸出相應(yīng)占空比的PWM波，經(jīng)過濾波、放大后將電壓信號(hào)Um1、Um2送入比例調(diào)壓閥信號(hào)輸入端。

圖7 主手PID控制器力矩控制流程圖

計(jì)算機(jī)離散控制PID控制規(guī)律為[12]：

式中，k為采樣序號(hào)；u(k)為輸出信號(hào)；KP、KI、KD分別為比例、積分、微分系數(shù)，e(k)為第k次采樣輸入偏差，e(k)=Mm(k)-Ms(k)。ATmega128單片機(jī)將反饋力矩目標(biāo)值Ms與實(shí)際采樣值Mm差值進(jìn)行PID運(yùn)算，通過調(diào)節(jié)PWM占空比改變Um大小，從而調(diào)節(jié)反饋力矩的大小。

3 氣動(dòng)力覺系統(tǒng)試驗(yàn)研究

3.1 系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)

為了試驗(yàn)方便，取力覺系統(tǒng)主手上半部分作為研究對(duì)象，建立如圖8所示的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。氣源由小型空氣壓縮機(jī)提供，經(jīng)比例調(diào)壓閥由軟管接入主手內(nèi)腔。

圖8 力覺反饋系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)

電氣比例調(diào)壓閥的性能直接影響系統(tǒng)精度與動(dòng)態(tài)特性，實(shí)驗(yàn)選用ITV2050型電氣比例調(diào)壓閥。ITV2050型電氣比例調(diào)壓閥壓力上限為0.9 MPa，24 V直流供電，輸入端為DC 0～10 V,靈敏度為0.2 kPa，具有高直線度(±1%FS以內(nèi))和低遲滯(0.5%FS以內(nèi))的特點(diǎn)。

3.2 系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性試驗(yàn)

以幅值1 N·m、頻率0.25 Hz的方波對(duì)主手力覺系統(tǒng)做動(dòng)態(tài)力加載試驗(yàn)，10 ms定時(shí)中斷對(duì)力矩傳感器電橋輸出值進(jìn)行AD采樣，數(shù)據(jù)以RS232通訊發(fā)送至PC。圖9是試驗(yàn)中加載目標(biāo)力矩信號(hào)和輸出力矩測(cè)試值的比較曲線。從圖中看出，動(dòng)態(tài)試驗(yàn)中測(cè)試力矩值能滿足對(duì)目標(biāo)力矩值的跟隨，數(shù)據(jù)分析可知：主手力矩響應(yīng)時(shí)間不大于80 ms，方波幅值處最大過調(diào)量低于6%，穩(wěn)態(tài)處測(cè)試力矩仍然存在一定的抖動(dòng)。

圖9 系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性分析圖

分析其原因如下：

(1)單片機(jī)AD采樣與中斷延時(shí)、控制電路中積分電路的延時(shí)、電氣比例調(diào)壓閥的遲滯性造成了響應(yīng)時(shí)間不可避免的增加；

(2)為了改善系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性加快響應(yīng)時(shí)間，可以增加力矩反饋增益系數(shù)，但增益系數(shù)增加可能加大系統(tǒng)的超調(diào)量，因此參數(shù)整定時(shí)必須加以權(quán)衡；

(3)由于試驗(yàn)時(shí)未使用專用夾具固定主手，可以認(rèn)為人手對(duì)交變力矩的反射造成了一定的抖動(dòng)。

4 結(jié)論

開發(fā)的氣動(dòng)力覺系統(tǒng)，其機(jī)械氣動(dòng)結(jié)構(gòu)緊湊，通用性強(qiáng)，適用于夾鉗式主從機(jī)器手系統(tǒng)。搭建了試驗(yàn)平臺(tái)并對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行分析，論證了以比例調(diào)壓閥和PID控制器為核心的氣動(dòng)力覺系統(tǒng)的可行性。

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