基于力反饋搖桿的移動機(jī)器人遙操作系統(tǒng)的研究

□ 崔 巖 □ 楊海偉 □ 崔 澤

1.齊重?cái)?shù)控裝備股份有限公司 設(shè)備保障部 黑龍江齊齊哈爾 161005

2.上海大學(xué) 機(jī)電工程與自動化學(xué)院 上海 200072

遙操作用于機(jī)器人領(lǐng)域已有很長一段歷史，在遙操作中，操縱者借助主、從端設(shè)備可以遠(yuǎn)距離執(zhí)行任務(wù)，尤其適合于一些危險環(huán)境的作業(yè)任務(wù)，如：海底、太空、核場所等。在遙操作中，一般主要借助遠(yuǎn)端傳回的視頻信息進(jìn)行控制，然而由于視頻反映的信息形式單一，操作者很難獲知系統(tǒng)的精確狀態(tài)，此外僅憑視頻信息也不容易掌握諸如機(jī)器人遇到周圍有煙霧或光線不好的情形或視頻傳輸故障等突發(fā)事件，所以僅依靠視頻反饋的遙操作有很大的局限性，這時遙操作系統(tǒng)就需要通過其它措施來增加操作的可靠性。筆者借助MicroSoft Siderwinder Force Feedback 2搖桿提供力反饋，用以提高虛擬環(huán)境中的力覺感受,增加對機(jī)器人操作的可靠性、穩(wěn)定性。移動機(jī)器人常用的是速度控制，由于主操作設(shè)備運(yùn)動空間受限，所以位置控制很少使用，但兩者結(jié)合或許可以達(dá)到比單一控制更好的效果，本文基于力反饋以及視頻和狀態(tài)反饋信息，對移動機(jī)器人的兩種控制方法進(jìn)行了分析研究。

1 移動機(jī)器人遙操作系統(tǒng)

移動機(jī)器人遙操作系統(tǒng)可以分為服務(wù)器端、客戶端、無線網(wǎng)絡(luò)3部分，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，客戶端包括力反饋搖桿和筆記本電腦，服務(wù)器端包括移動機(jī)器人本體和內(nèi)置控制計(jì)算機(jī)，兩者通過無線網(wǎng)絡(luò)通信，對近距離無線傳輸，可以不用無線路由器，只需建立一個Ad-hoc無線網(wǎng)絡(luò)即可。

在圖1遙操作系統(tǒng)中，通過操縱力反饋搖桿驅(qū)動移動機(jī)器人運(yùn)動，搖桿上輸出量有坐標(biāo)值x、y和控制方法變量m，其中y和m作為切換控制器的輸入，經(jīng)切換控制器后輸出y1或y2，x、y1和y2分別乘上各自的比例系數(shù)后就成為位置控制和速度控制的控制參數(shù)φ、S、V。這些控制參數(shù)通過無線網(wǎng)絡(luò)傳遞給移動機(jī)器人端，再經(jīng)過逆運(yùn)算轉(zhuǎn)換為左、右電機(jī)的理想控制參數(shù)qd，通過編碼器數(shù)據(jù)q構(gòu)成閉環(huán)控制，從而驅(qū)動機(jī)器人以一定的速度和方向朝預(yù)計(jì)位置運(yùn)動。操作者通過觀察遠(yuǎn)程傳回的反饋信息確定機(jī)器人的位置，并將其當(dāng)前位置和預(yù)計(jì)位置比較，根據(jù)比較結(jié)果修正施加在搖桿上的力，使實(shí)際位置與理想位置盡量吻合。

1.1 搖桿與移動機(jī)器人之間的運(yùn)動學(xué)映射

力反饋搖桿采用MicroSoft Siderwinder Force Feedback 2搖桿，將搖桿的前、后、左、右方向映射成機(jī)器人的前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)，右轉(zhuǎn)，對移動機(jī)器人有兩種控制策略：①速度控制方法，即速度值大小與搖桿偏離中心點(diǎn)的坐標(biāo)值成正比；②位置控制方法，即位移值大小與搖桿偏離中心點(diǎn)的坐標(biāo)值成正比。為了防止由于操作者的不小心或是一些震動等原因使搖桿發(fā)生微小偏離而導(dǎo)致機(jī)器人的誤操作，對搖桿進(jìn)行死區(qū)設(shè)置，如圖2所示，在中間矩形區(qū)域內(nèi)的動作不會反映到機(jī)器人端，兩種控制方法用如下方程描述：

式中：φ、V、S分別是移動機(jī)器人的轉(zhuǎn)角、速度和位置；KV、KS、KA是比例常數(shù)；x、y 為搖桿的位置坐標(biāo)，定義如下：

▲圖2 搖桿死區(qū)設(shè)置

其中：xdzone、ydzone是正常數(shù)。

搖桿的位置坐標(biāo)表示搖桿在死區(qū)范圍內(nèi)的運(yùn)動，對移動機(jī)器人沒有影響；只有在死區(qū)范圍外的運(yùn)動，才會產(chǎn)生對移動機(jī)器人的控制信號。

1.2 移動機(jī)器人運(yùn)動學(xué)

分別定義世界坐標(biāo)系和機(jī)載坐標(biāo)系，機(jī)載坐標(biāo)系下的移動機(jī)器人的位置和方向可以用向量P=（x，y，θ）T表示。因?yàn)橐粋€移動機(jī)器人的運(yùn)動可以用線性速度V和角速度ω來表示，對差動驅(qū)動移動機(jī)器人，可以用以下方程表示：

式中：L為檢測獲得的移動機(jī)器人與障礙物之間的距離；VR為機(jī)器人右輪速度；VL為機(jī)器人左輪速度。

在世界坐標(biāo)系中，速度值P與機(jī)載坐標(biāo)系中速度q有以下關(guān)系：

將公式（5）積分，可以得出機(jī)器人位置向量P：

式中：［x y θ］T為機(jī)器人的實(shí)際位置；［x0y0θ0］T為機(jī)器人的初始位置。

利用以上方程可以算出在每個控制周期內(nèi)移動機(jī)器人的位置，速度V和ω由安裝在電機(jī)上的編碼器測得。

2 控制方法的切換

▲圖3 切換控制器內(nèi)部結(jié)構(gòu)

▲圖4 重置算法

▲圖5 力反饋編程步驟

對移動機(jī)器人的控制有位置控制和速度控制兩種方法，在兩種控制方法之間切換必須考慮切換前后移動機(jī)器人的狀態(tài)變化。切換控制器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示，切換控制器的5個輸入量為搖桿Y向輸出值y、控制方法變量m、每一次控制切換時預(yù)保存的搖桿輸出值和切換控制器的輸出值， 后3個變量是通過重置算法實(shí)現(xiàn)，具體過程如圖4所示。輸出量是移動機(jī)器人的控制參數(shù)。圖3中的h1和h2分別是速度控制和位置控制時的離散變量，其值可以取0或1。0表示切換后保持與切換前相同的狀態(tài)，1表示將先前的狀態(tài)設(shè)置為0，比如從速度控制切換到位置控制，切換后將速度先設(shè)置為0，即移動機(jī)器人先停止。控制方法變量m也是個離散值，同樣可以取0或1。0表示是位置控制方法，1表示是速度控制方法，變量m與搖桿上按鈕1關(guān)聯(lián)，缺省值為1，即速度控制，第一次按下按鈕1后，m值為0，則切換到位置控制方法，再次按下按鈕1，又切換回速度控制。

3 力反饋功能實(shí)現(xiàn)

為了實(shí)現(xiàn)力反饋搖桿的位置輸出、力反饋實(shí)現(xiàn)以及輸出顯示，采用Visual C++6.0結(jié)合Direct X7.0版本的DirectInput組件編程，DirectInput組件包括3個COM 接口［1］：①接口 IDirectInput7 枚舉、創(chuàng)建并取回DirectInput設(shè)備的狀態(tài)，初始化DirectInput對象并調(diào)用Windows控制面板的一個實(shí)例；②接口IDirectInputDevice7取得并釋放對DirectInput設(shè)備的訪問，管理設(shè)備屬性和信息、設(shè)置操作、執(zhí)行初始化、創(chuàng)建和實(shí)現(xiàn)力反饋并調(diào)用一個設(shè)備控制面板；③接口IDirectInputEffect用來管理力反饋設(shè)備的作用效果，創(chuàng)建、修飾、打開和停止效果。編程步驟如圖5所示。

要比較準(zhǔn)確地反映機(jī)器人與周圍障礙物之間的距離信息和得到比較滿意的力反饋效果，力反饋函數(shù)的構(gòu)造是很重要的，一般函數(shù)構(gòu)造準(zhǔn)則是：虛擬力大小同移動機(jī)器人與障礙物之間距離成反比。兩者越近，反饋力越大。 力反饋函數(shù)可以是線性［2］［3］［5］，也可以是非線性［4］，其不僅與機(jī)器人和障礙物之間距離相關(guān)，而且與驅(qū)動特性、環(huán)境結(jié)構(gòu)相關(guān)，本文中僅考慮距離因素的影響，反饋力的大小為：

式中：Ke、Ki是比例常量；L0為安全距離；y為搖桿輸出的Y向值。

從式（8）中可以看出，當(dāng)移動機(jī)器人與障礙物之間的距離L小于L0時，會在力反饋搖桿上產(chǎn)生虛擬反饋力Fe，距離L越小，F(xiàn)e越大，通過Fe可以很好地實(shí)現(xiàn)避障功能。Fi的作用是使搖桿偏離Y軸后向Y軸恢復(fù)，反映到移動機(jī)器人就是使移動機(jī)器人停止。結(jié)合式（1）、（2）和（9），可知，F(xiàn)i是與移動機(jī)器人速度和位置成比例的，所以Fi在一定程度上反映了移動機(jī)器人的狀態(tài)信息，通過Fi可以保證移動機(jī)器人在速度控制模式下運(yùn)動更加平穩(wěn)。

▲圖6 在沒有反饋力情況下移動機(jī)器人的控制

▲圖7 在具有反饋力情況下移動機(jī)器人的速度控制和位置控制

4 試驗(yàn)與結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)過程：讓移動機(jī)器人從一定點(diǎn)開始運(yùn)動，在距定點(diǎn)7.5 m處放置一個障礙，移動機(jī)器人以盡可能快的速度到達(dá)距定點(diǎn)7 m的位置，然后定位在7 m位置處。實(shí)驗(yàn)基于力反饋以及視頻和狀態(tài)反饋信息，對移動機(jī)器人的兩種控制方法進(jìn)行了分析研究。具體分兩種情況：①在視頻和狀態(tài)反饋信息時，兩種控制方法的實(shí)驗(yàn)情況如圖6所示；② 在視頻、狀態(tài)以及力反饋信息時，兩種控制方法的實(shí)驗(yàn)情況如圖7所示。

圖6（a）是在沒有力反饋、只借助視頻和狀態(tài)信息反饋的情形下，對移動機(jī)器人分別實(shí)施速度控制和位置控制?？梢钥闯觯恢每刂拼蠹s需要36 s的時間去完成實(shí)驗(yàn)，即定位在7 m處；而速度控制從定點(diǎn)運(yùn)動到7 m位置只要22 s的時間，這比位置控制下第一次到達(dá)7 m處所需的時間28 s要少，然而完全定位在7 m處則將近要60 s時間。圖6（b）是在一次實(shí)驗(yàn)中分時采用速度控制和位置控制，因?yàn)楦鶕?jù)圖6（a）知道，速度控制運(yùn)動速度快，然而定位不夠好，而位置控制定位好，但速度較慢，所以結(jié)合兩者，在前面時間內(nèi)用速度控制，在約6 m處時切換到位置控制，從圖6（b）中可以看出，完成實(shí)驗(yàn)所需時間大約31 s，這說明相對單獨(dú)采取一種控制方法，兩者結(jié)合可以更快速地完成實(shí)驗(yàn)。

在圖6中只借助于視頻和狀態(tài)反饋信息，移動機(jī)器人有時會與前方障礙發(fā)生碰撞，所以在實(shí)驗(yàn)中增加了力反饋來輔助遙操作。從圖7（a）中可以看出，速度控制時結(jié)合力反饋，不但可以避障，整個遙操作過程都很穩(wěn)定，不會出現(xiàn)大的波動，定位在7 m處所需的時間也比沒有力反饋的情形要少。相對于沒有力反饋情況，力反饋會給移動機(jī)器人的位置控制帶來一定副作用，這從圖7（b）中可以看出，雖然力反饋可以在一定程度上幫助移動機(jī)器人避障，但有力反饋時，和圖6（a）中沒有力反饋的位置控制相比較，移動機(jī)器人會在7 m位置出現(xiàn)較大的波動，同時需要更長的時間才能定位在7 m處。這是因?yàn)槲恢每刂频谋壤禂?shù)Ks比較大，導(dǎo)致位置控制會有很高的敏感性。所以力反饋在位置控制模式下不太適合，尤其是在不要避障的情形時。

從以上分析可知，視頻和狀態(tài)信息可以反映移動機(jī)器人的環(huán)境和狀態(tài)信息，但不能保證移動機(jī)器人不與障礙發(fā)生碰撞，而結(jié)合力反饋，在更好地感知工作環(huán)境的同時，還可以很好地避障。移動機(jī)器人的位置控制在定位上效率更高，而速度控制可以快速到達(dá)目的地，但定位耗時較長，兩種控制方式結(jié)合可以利用各自的優(yōu)勢。速度控制結(jié)合力反饋可以保證操作的穩(wěn)定性，同時在一定程度上提高定位效率，但位置控制由于其比例系數(shù)Ks比較大的緣故，力反饋不適合與位置控制結(jié)合。

5 結(jié)論

本文在不同反饋信息情況下，對移動機(jī)器人的位置控制和速度控制兩種方法進(jìn)行了比較分析，同時分析了力反饋在遙操作中的作用。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通過兩種方法的結(jié)合，可以在保證速度的同時更好地定位，采用力反饋可以避障、增加臨場感和提高移動機(jī)器人遙操作的穩(wěn)定性。

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