機(jī)器人觸感裝置力位解耦控制策略研究

張海濱（鶴壁煤業(yè)技師學(xué)院，河南鶴壁458030）

機(jī)器人觸感裝置力位解耦控制策略研究

張海濱
（鶴壁煤業(yè)技師學(xué)院，河南鶴壁458030）

通過將觸感裝置關(guān)節(jié)處的摩擦計(jì)入到系統(tǒng)的動力學(xué)模型中，在現(xiàn)有的力位補(bǔ)償方法基礎(chǔ)上分別建立摩擦力、重力、慣性力補(bǔ)償模型進(jìn)行附加力補(bǔ)償，對于附加位移也通過建立附加位移模型進(jìn)行了補(bǔ)償，從而有效地提高了系統(tǒng)透明性及穩(wěn)定性，使觸感裝置的控制精度更高，抗干擾能力更強(qiáng)。

觸感裝置；補(bǔ)償；附加位移

隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和交互式遙操作機(jī)器人技術(shù)的快速發(fā)展及廣泛應(yīng)用，可作為人機(jī)接口裝置的觸感裝置的需求量逐年攀升。觸感裝置既可以直接通過操作者手部位置信息控制遠(yuǎn)端機(jī)器人或虛擬現(xiàn)實(shí)中的機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)遙控操作[1]。同時，它也將從端機(jī)器人或者虛擬環(huán)境中傳感器感覺到的力或力矩信號反饋給操作者，使得處于近端的操作者擁有臨場感，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離作業(yè)或者與虛擬環(huán)境的觸覺交互。無論在虛擬現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域還是遙操作領(lǐng)域，透明性的研究一直是各國學(xué)者研究的熱點(diǎn)，其中，影響其透明性的因素之一即為觸感裝置的動力學(xué)特性，其主要表現(xiàn)在兩方面，其一是觸感裝置的力位耦合使得觸感裝置本身的重力、摩擦力以及慣性力等連同反饋?zhàn)饔昧σ黄鸱答伣o操作者，使操作者不能感受到真實(shí)的作用力，影響下一步操作，另一方面是力位耦合使得從端或者虛擬環(huán)境傳遞回的反饋?zhàn)饔昧τ|感裝置的位置命令信息產(chǎn)生干擾，導(dǎo)致從端或者虛擬環(huán)境從手不能準(zhǔn)確的跟蹤觸感裝置的位置命令。本文針對觸感裝置的動力學(xué)特性，展開對其力位解耦的控制研究。根據(jù)觸感裝置的完整動力學(xué)模型，建立了附加位移模型。

1　附加力補(bǔ)償

引入力反饋時，計(jì)入附加轉(zhuǎn)矩的動力學(xué)模型應(yīng)為：

θmu表示觸感裝置期望關(guān)節(jié)運(yùn)動軌跡，從式（1）可以看出，為了使操作者感受的力矩等于反饋力矩：

對于觸感裝置的附加力矩，分三部分對其進(jìn)行補(bǔ)償，主要補(bǔ)償重力、慣性力和摩擦力對反饋力的影響[2]。

為消除重力、慣性及摩擦對反饋?zhàn)饔昧Φ母蓴_，各國研究者做出了巨大的努力，本文在總結(jié)各種力補(bǔ)償方法的基礎(chǔ)上提出了自己的見解。

1.1重力補(bǔ)償

對于重力補(bǔ)償?shù)膯栴}主要通過機(jī)械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，通過絲傳動設(shè)計(jì)，可以將控制關(guān)節(jié)及傳遞力反饋信息的電機(jī)安裝在觸感裝置底座中，這樣就減少了重力項(xiàng)在觸感裝置動力學(xué)中的影響，剩余的機(jī)械結(jié)構(gòu)部分重力影響通過建立的數(shù)學(xué)模型，利用該模型的轉(zhuǎn)矩輸出，實(shí)現(xiàn)對重力的補(bǔ)償。

根據(jù)其重力項(xiàng)的相應(yīng)計(jì)算，給予對應(yīng)的重力補(bǔ)償：

1.2摩擦力補(bǔ)償

現(xiàn)有兩種策略可用于摩擦力的補(bǔ)償。

（1）通過對觸感裝置特性的研究選擇了Cou?lomb+Viscous摩擦模型，將其計(jì)入整體動力學(xué)模型中。通過建立摩擦力模型，利用該模型的轉(zhuǎn)矩輸出，可以實(shí)現(xiàn)對摩擦力的補(bǔ)償。

（2）對包括觸感裝置摩擦力在內(nèi)的一些外界干擾力，通過設(shè)計(jì)干擾觀測器對其進(jìn)行了預(yù)測，并且通過仿真可以看出其估測較準(zhǔn)確，可以通過干擾觀測器的預(yù)測對觸感裝置進(jìn)行實(shí)時的補(bǔ)償。

1.3慣性力補(bǔ)償

由于慣性力為變量的二階項(xiàng)，在實(shí)際應(yīng)用中歸類于噪聲，難于估計(jì)，所以觸感裝置在慣性力補(bǔ)償方面的研究工作現(xiàn)階段少見于文獻(xiàn)，在觸感裝置的操作過程中，不能忽略慣性力對反饋力的影響，因?yàn)椴僮髡卟豢赡軙r刻保持勻速運(yùn)動，當(dāng)加速或減速時，不可避免的產(chǎn)生慣性力，與反饋力疊加在一起。本文通過建立慣性力的數(shù)學(xué)模型，利用其數(shù)學(xué)模型的輸出轉(zhuǎn)矩來實(shí)現(xiàn)慣性力的補(bǔ)償。

慣性力之所以難以確定，源于其實(shí)時位移的二階項(xiàng)難以確定，本文設(shè)計(jì)加速度觀測器對觸感裝置加速度進(jìn)行觀測，進(jìn)而獲得其慣性力，并進(jìn)行相應(yīng)的補(bǔ)償。

觸感裝置的動力學(xué)模型為：

其中，τs為操作者的抓持力映射到各關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)力矩，為操作者施加給觸感裝置的力或力矩，亦可稱為操作者感受到的反饋力及力矩，可通過在觸感裝置的夾持部分的力覺傳感器測量得到，為觸感裝置jacobin矩陣，θ為電機(jī)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角，τm為電機(jī)轉(zhuǎn)矩。

從式（5）中，忽略哥氏力項(xiàng)的影響，本文設(shè)計(jì)加速度觀測器為：

2　位置補(bǔ)償

現(xiàn)有的補(bǔ)償方法主要體現(xiàn)在圖1中的低通濾波器Ku，低通濾波器Kλ及附加模型的傳遞函數(shù)bs三部分上，下面將詳細(xì)介紹其補(bǔ)償策略。

圖1　附加位移補(bǔ)償框圖

2.1位置補(bǔ)償方法概述

（1）局部微分反饋補(bǔ)償法。其本質(zhì)是在其控制系統(tǒng)中加入局部微分反饋，使得觸感裝置的阻尼增加。此阻尼項(xiàng)疊加到力反饋信號中，一起作用于觸感裝置驅(qū)動電機(jī)，但是此阻尼項(xiàng)施加的是與反饋力方向相反的控制信號，把電機(jī)的速度限制到了一定的區(qū)域內(nèi)。局部微分反饋補(bǔ)償法有效地抑制了系統(tǒng)的振蕩，但卻使得控制系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)能力降低。

（2）位置信號濾波補(bǔ)償法。該方法的本質(zhì)是在從操作端通過一個低通濾波器Ku對系統(tǒng)的從操作手位置指令進(jìn)行補(bǔ)償，低通濾波器有效地降低了觸感裝置位移指令中的高頻成分，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，但是從操作手的快速性及跟蹤性卻受到了限制。

（3）反饋力信號濾波補(bǔ)償法。該方法也是通過對位置信息的補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)的，類似于上面提到的方法，其本質(zhì)是在通過一個低通濾波器Kλ，將力反饋信息中的高頻瞬變成分過濾掉，然后再將此力反饋信息傳遞給觸感裝置，減少了力反饋信息對系統(tǒng)的附加位移量，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性。但是，由于缺失了力覺信息中的高頻成分，操作者不能感受真實(shí)的力覺信息。

觸感裝置位置補(bǔ)償?shù)膶?shí)質(zhì)是，以反饋力矩τf為輸入，當(dāng)它與抓持力矩τu不匹配時，觸感裝置便會產(chǎn)生附加位移θmi，θmi可經(jīng)系統(tǒng)動力學(xué)正解得到，將其與編碼器輸出的觸感裝置實(shí)際位移θm加在一起，得到操作者預(yù)期的主手位移θmu，作為運(yùn)動指令發(fā)送給從手。本設(shè)計(jì)通過建立附加位移模型，通過參數(shù)辨識得到其具體模型，將附加模型計(jì)算得到的位移量計(jì)入到系統(tǒng)的位置控制信息中，消除附加位移。

2.2附加位移模型及補(bǔ)償

設(shè)計(jì)觸感裝置的附加運(yùn)動模型如圖2所示，根據(jù)機(jī)電網(wǎng)絡(luò)的對比關(guān)系，可得到如下方程：

其中：

圖2　觸感裝置非線性集總參數(shù)模型

通過對上述模型的參數(shù)辨識，可得到系統(tǒng)的具體附加位移模型。

此系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為：

通過計(jì)入附加模型，得到更加精確的位置命令xc，如式（8）所示。

圖3　附加位移模型

3　結(jié)束語

本文簡要介紹了力位解耦問題及現(xiàn)有的力位補(bǔ)償方法，在此基礎(chǔ)上分別建立摩擦力、重力、慣性力補(bǔ)償模型進(jìn)行附加力補(bǔ)償，對于附加位移也通過建立附加位移模型進(jìn)行了補(bǔ)償，此外通過設(shè)計(jì)直接力反饋控制結(jié)構(gòu)，完成對觸感裝置的整體設(shè)計(jì)。

［1］孟建軍，贠今天，劉鋼，等.6+1維力反饋觸感裝置［P］.中國專利：CN201110045093.6.

［2］古軍保，贠今天，董旭，等.具有力—位補(bǔ)償?shù)挠|感裝置控制體系結(jié)構(gòu)［J］.機(jī)電工程，2009（9）：73-76.

(編輯：阮毅)

Robot Tactile Device Power Decoupling Control Strategy Research

ZHANG Hai-bin
（HebiCoal Technical Institute，Hebi458030，China）

In this article，through the haptic device friction joints in to the system dynamicsmodel，based on the force of the existing compensationmethods respectively to establish the friction，gravity，inertia force additional force compensation，compensationmodel for additional displacement is through the establishment of additional displacementmodel compensation，so as to effectively improve the system stability，transparency and higher controlprecision of the haptic device，strongeranti-interferenceability.

haptic device；compensation；additionaldisplacement

TP242

A

1009－9492(2015)06－0056－03

10.3969/j.issn.1009-9492.2015.06.013

2015－01－09

張海濱，男，1979年生，河南周口人，大學(xué)本科，講師。研究領(lǐng)域：機(jī)電技術(shù)。已發(fā)表論文9篇。