基于STM32的力覺反饋裝置及用于主從遙操作實現(xiàn)

張建軍，李沙沙，米兆文，邵世龍，常 賀，陳龍正，高毓媛

(河南理工大學(xué) 電氣工程與自動化學(xué)院，河南 焦作 454000)

0 引言

基于力覺反饋的主從機(jī)械手遙操作雙邊控制系統(tǒng)擺脫了距離限制[1]，避免了操作者直接處于危險區(qū)域，融合了人的高級智能和機(jī)器人的可擴(kuò)展性，實現(xiàn)了人機(jī)智能交互功能[2-3]。從機(jī)械手位于工作區(qū)域直接與操作對象交互[4]，跟蹤主機(jī)械手的運動信號并將與環(huán)境交互力信號傳送至本地主機(jī)械手，使操作者在操作本地主機(jī)械手的同時能夠感知從機(jī)械手傳送至本地的力信息[5]。主機(jī)械手實現(xiàn)力覺再現(xiàn)以及給從手傳輸位置指令，力反饋裝置作為主手是遙操作系統(tǒng)的核心[6]。

力反饋裝置分為氣動[7-8]、液動[9]以及電驅(qū)動[10]等模式，其基本原理是操作者作用于力反饋裝置，當(dāng)操作者施加力大于標(biāo)準(zhǔn)力信號時，力反饋裝置產(chǎn)生觸覺力同方向上的形變以減少觸覺力，反之則產(chǎn)生觸覺力反方向上的形變增大觸覺力。力反饋裝置依然存在很多的問題，主要表現(xiàn)在：1)基于氣體或者液體驅(qū)動的力反饋裝置，要考慮其滯后以及氣體或者液體泄漏造成的控制精度降低問題[11]；2)力反饋數(shù)據(jù)手套操作時間過長會引起手指或者手腕疲勞，使操作人員操作過程中的沉浸感減弱，降低操作效率[12];3)操作者佩戴力反饋數(shù)據(jù)手套作自由彎曲或者伸展動作時候[13]，力反饋數(shù)據(jù)手套對操作者手指的約束在從機(jī)械手沒有和操作對象交互的自由空間會破壞操作者的臨場感[14]。

本文面向遙操作系統(tǒng)設(shè)計了單自由度力反饋裝置，通過STM32單片機(jī)實現(xiàn)信號采集與力控制，根據(jù)該力反饋裝置搭建了實驗系統(tǒng)，實現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)力信號跟蹤實驗驗證。搭建了與力反饋裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)完全一致的從機(jī)械手系統(tǒng)，通過單自由度遙操作實驗實現(xiàn)了主、從機(jī)械手力、位移協(xié)同一致同步功能。遙操作系統(tǒng)能夠感知遠(yuǎn)端從機(jī)械手是否抓住目標(biāo)、抓住目標(biāo)的力覺、抓取目標(biāo)的剛度等信息的感知，提高了操作者的真實臨場感功能。

1 力反饋裝置

面向機(jī)械手抓取要求操作簡單、便攜且易于實現(xiàn)，不需要復(fù)雜的結(jié)構(gòu)以及多手指抓取，設(shè)計了單自由度的力反饋裝置。模擬人類手指，只設(shè)計兩個手指：拇指與食指。其中拇指固定，食指在步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動撥桿上施加操作力，單自由度力反饋裝置如圖1所示。

圖1 單自由度力反饋裝置示意圖

如圖1所示，食指施力端為撥桿的末端處，上面貼有壓電薄膜式力傳感器。撥桿與步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)軸同軸連接。步進(jìn)電機(jī)自帶減速裝置，不需加減速齒輪。步進(jìn)電機(jī)在允許輸出功率條件下保持恒定角位移輸出，同頻率下一個占空比對應(yīng)步進(jìn)電機(jī)的一個角位移。人手指的夾持力一般在30 N之內(nèi)，設(shè)計撥桿半徑10 cm，步進(jìn)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩在3 N·m以上即滿足力控制要求。步進(jìn)電機(jī)固定在圓形外殼內(nèi)，保證輸出軸旋轉(zhuǎn)，角度傳感器也固定在圓形外殼內(nèi)，實現(xiàn)與步進(jìn)電機(jī)同軸連接。根據(jù)手指運動夾取特征，撥桿繞軸旋轉(zhuǎn)范圍為90°。該力反饋裝置底部有安裝孔可以與機(jī)械臂配接實現(xiàn)多關(guān)節(jié)系統(tǒng)的力反饋裝置。

在操作過程中，操作者握住力反饋裝置，其中拇指握住手柄，食指作用在撥桿末端觸覺力傳感器上，另外3個手指握住手柄處。用食指撥動撥桿產(chǎn)生轉(zhuǎn)動，壓電薄膜傳感器測量食指施加的觸覺力，與標(biāo)準(zhǔn)的力信號通過PID計算得步進(jìn)電機(jī)的角度控制量，實現(xiàn)食指施加力與標(biāo)準(zhǔn)力信號的匹配，實現(xiàn)食指上的力覺感知。

2 力反饋裝置數(shù)學(xué)模型及PID控制律

力反饋裝置可以看作一個單關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)機(jī)器人，結(jié)合機(jī)器人動力學(xué)原理，力反饋裝置的數(shù)學(xué)模型如式(1)所示：

(1)

力反饋裝置實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)力信號的匹配采用PID控制方法，PID控制為輸出反饋，不需計算力反饋裝置數(shù)學(xué)模型。其基于力誤差設(shè)計PID控制律調(diào)整電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度，通過位置控制實現(xiàn)接觸力對標(biāo)準(zhǔn)力信號跟蹤。設(shè)：

ef=fd-fm

(2)

(3)

力反饋實現(xiàn)力跟蹤控制律如式(3)所示，kmp、kmi、kmd為PID系數(shù)。fd、fm分別為標(biāo)準(zhǔn)力信號、操作者施加力測量信號，ef為力誤差信號。將τm換算成PWM脈沖控制步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)角度，由于機(jī)械手抓取的角度在一定范圍內(nèi)，對控制量加限幅處理。力反饋裝置實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)力信號再現(xiàn)控制流程如圖2所示。

圖2 力反饋裝置力控制流程圖

3 力反饋裝置力覺再現(xiàn)實驗

為了實現(xiàn)力覺再現(xiàn)的實驗驗證搭建了單自由度力反饋裝置實驗平臺，其中力覺再現(xiàn)裝置器件連接關(guān)系如圖3所示。通過步進(jìn)電機(jī)帶動撥桿旋轉(zhuǎn)，撥桿與角度傳感器同軸相連測量角度，撥桿末端裝有壓電薄膜傳感器實現(xiàn)觸覺力測量，通過微控制器實現(xiàn)對角度信號、觸覺力信號測量，利用鋰電池輸出7.4 V電壓實現(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)供電。力覺再現(xiàn)裝置實驗實物連接方式如圖3所示。

圖3 力覺再現(xiàn)裝置實驗實物連接圖

圖3中，步進(jìn)電機(jī)選擇270°大扭矩數(shù)字電機(jī)，當(dāng)發(fā)生堵轉(zhuǎn)時，步進(jìn)電機(jī)內(nèi)部會過流保護(hù)。并且具有輸出扭打大，控制精度高的特點。步進(jìn)電機(jī)通過微控制器發(fā)生的PWM脈沖實現(xiàn)角度控制。角度傳感器利用精密導(dǎo)電塑料電位器，相當(dāng)于一個滑動變阻器實現(xiàn)360°角度測量，滿足高精度角位移輸出。STM32控制板控制器選用STM32F103，STM32F103帶定時器、PWM、A/D轉(zhuǎn)換、串口通信，由3.3 V供電，并且可用豐富的庫函數(shù)實現(xiàn)編程，滿足整體信號測量與控制功能。觸覺力傳感器選用壓電薄膜傳感器，與觸覺力呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系，利用串聯(lián)分壓實現(xiàn)力信號采集。

STM32F103通過A/D轉(zhuǎn)換讀取觸覺力信號，與標(biāo)準(zhǔn)的力信號作PID控制計算得到輸出調(diào)節(jié)量，通過PWM 脈沖控制步進(jìn)電機(jī)，使步進(jìn)電機(jī)得到角度調(diào)整進(jìn)而實現(xiàn)力信號調(diào)整。STM32F103實現(xiàn)力控制的基本流程如圖4所示。首先完成各個I/O口初始化，然后實現(xiàn)PWM脈沖、定時器、A/D轉(zhuǎn)換初始化設(shè)定PWM脈沖工作方式，定時器工作方式以及A/D轉(zhuǎn)換的模式，然后打開定時器進(jìn)入死循環(huán)。定時時間到，采集觸覺力信號與位置信號，然后根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的觸覺力信號經(jīng)過PID計算得到控制器調(diào)節(jié)量，通過PWM 換算后加載到步進(jìn)電機(jī)控制器上實現(xiàn)一次循環(huán)控制，然后等待下一次定時時間中斷。根據(jù)圖3實驗裝置記錄操作過程中力、位移數(shù)據(jù)，力跟蹤曲線及位置曲線如圖5所示。

圖4 微控制器程序執(zhí)行流程圖

圖5 力反饋裝置力信號跟蹤曲線及位置曲線

由于所選力傳感器換算成力信號存在誤差，這里只用電壓值表示力信號。對于標(biāo)準(zhǔn)力信號1 000 mV的跟蹤，當(dāng)操作者觸覺力大于標(biāo)準(zhǔn)的力信號時，控制器控制步進(jìn)電機(jī)使其朝操作者力方向轉(zhuǎn)動，從而使操作者施加力信號泄掉，如果操作者的施加力一直大于標(biāo)準(zhǔn)的力信號，則步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動到最小位置，控制器實現(xiàn)了限幅作用，如圖5中23 s時刻。當(dāng)操作者觸覺力小于標(biāo)準(zhǔn)的力信號時，控制器控制步進(jìn)電機(jī)使其朝著操作者力反方向轉(zhuǎn)動，從而使操作者施加力信號增大。如果操作者的施加力一直小于標(biāo)準(zhǔn)的力信號，則步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動到最大位置停轉(zhuǎn)，控制器實現(xiàn)了限幅作用，如圖5中50 s時刻。力、位移控制過程中，當(dāng)手指觸覺力小于標(biāo)準(zhǔn)力信號時候，控制器將調(diào)節(jié)機(jī)械手轉(zhuǎn)動擠壓手指以增加操作力，如果手指不與機(jī)械手接觸，則沒有限幅控制器下機(jī)械手會轉(zhuǎn)動以實現(xiàn)力的平衡。反之若手指觸覺力大于標(biāo)準(zhǔn)力信號，則控制器調(diào)節(jié)機(jī)械手轉(zhuǎn)動朝著遠(yuǎn)離的方向減少觸覺力。若手指一直壓著機(jī)械手，則控制器調(diào)節(jié)機(jī)械手實現(xiàn)轉(zhuǎn)動。通過PID控制器通過位置控制實現(xiàn)操作者觸覺力與標(biāo)準(zhǔn)力匹配的目的。

4 面向力反饋裝置的遙操作實驗

為了保證所設(shè)計的單自由度力反饋裝置的可靠性，為遙操作系統(tǒng)實現(xiàn)主從手力、位移協(xié)同一致性能提供理論依據(jù)，面向力反饋裝置進(jìn)行了單自由度仿真實驗驗證。將力反饋裝置作為主手的遙操作系統(tǒng)中，從手結(jié)構(gòu)和主手相同，也是單自由度基于微控制器控制步進(jìn)電機(jī)實現(xiàn)。不同的是力反饋裝置通過力誤差實現(xiàn)PID 計算做位置控制，從機(jī)械手基于位置誤差做PID 計算實現(xiàn)位置控制。另外力反饋裝置作為主手與從手的區(qū)別在于觸覺力傳感器安裝位置不同，主手上壓電薄膜傳感器要測量操作者觸覺力要安裝在機(jī)械手末端的上表面，而從手要測量與操作對象交互力要安裝在機(jī)械手末端的下表面。

遙操作系統(tǒng)中主手?jǐn)?shù)學(xué)模型與控制方式如式(1)～(3) 所示，從機(jī)械手?jǐn)?shù)學(xué)模型如式(4) 所示：

(4)

eq=qm-qs

(5)

(6)

整個系統(tǒng)的控制律如式(6)所示，ksp、ksi、ksd為PID系數(shù)。eq為位置誤差信號，qm位置跟蹤信號，即主手位置信號。將qm作為位置信號經(jīng)過PID計算得到調(diào)節(jié)量，將調(diào)節(jié)量換算成PWM脈沖與原控制信號PWM脈沖信號求和得τs，τs作為新的步進(jìn)電機(jī)控制信號控制步進(jìn)電機(jī)。由于機(jī)械手抓取的角度在一定范圍內(nèi)，這里對步進(jìn)電機(jī)的控制量加上限幅處理。主機(jī)械手標(biāo)準(zhǔn)力信號替換為從手的觸覺力，實現(xiàn)主手跟蹤從手力，從手跟蹤主手位置的目標(biāo)。

4.1 遙操作控制結(jié)構(gòu)

遙操作系統(tǒng)[18-19]實驗控制流程如圖6所示。操作者在主機(jī)械手撥桿末端施加作用力，主手控制器通過從手力與施加力做PID計算控制步進(jìn)電機(jī)角位移，通過數(shù)據(jù)通信發(fā)送給從機(jī)械手作為位置跟蹤目標(biāo)。從機(jī)械手控制器采集從手位置與主手位置做PID計算控制量，經(jīng)過限幅處理后控制步進(jìn)電機(jī)實現(xiàn)位置跟蹤。將從手觸覺力發(fā)送給主機(jī)械手實現(xiàn)力跟蹤。

圖6 遙操作系統(tǒng)實驗控制流程圖

根據(jù)圖6所示，主、從機(jī)械手控制程序分別通過各自控制板實現(xiàn)。從機(jī)械手選擇器件及結(jié)構(gòu)與主機(jī)械手完全一致，主手板控制器通過定時器中斷讀取串口通信從手的力、位置信息，通過A/D轉(zhuǎn)換采集主手觸覺力信息，將從手力與主手力經(jīng)PID計算得PWM值對步進(jìn)電機(jī)控制，通過A/D轉(zhuǎn)換讀取角位移信號通過串口0發(fā)送給從手端。同時，主手控制器將主從手力、位置信息通過串口1發(fā)給上位機(jī)供數(shù)據(jù)采集記錄。從手控制器通過定時中斷讀取串口主手位置信息，通過A/D轉(zhuǎn)換讀取從手角位移信息，將主手、從手位置經(jīng)PID計算得PWM 值對步進(jìn)電機(jī)控制。通過A/D轉(zhuǎn)換采集從手觸覺力信息，通過串口發(fā)送從手位置、力信息給主手控制器，整體系統(tǒng)實物如圖7所示。

圖7 遙操作系統(tǒng)實驗平臺實物連接圖

其中元器件選擇與力反饋裝置力覺再現(xiàn)實驗元器件選擇一致。主從機(jī)械手控制器在程序運行過程中，其基本結(jié)構(gòu)相同。首先就是包含串口通訊的各個模塊初始化，然后開定時器定時實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集及PID計算控制。其中主機(jī)械手控制器力跟蹤目標(biāo)通過串口中斷接收從機(jī)械手發(fā)送過來的標(biāo)準(zhǔn)觸覺力信號，而從機(jī)械手位置跟蹤目標(biāo)是通過串口中斷接收主機(jī)械手發(fā)送過來的主機(jī)械手角度值。主從機(jī)械手控制板經(jīng)過PID計算得到控制器調(diào)節(jié)量，通過PWM換算后加載到步進(jìn)電機(jī)控制器上實現(xiàn)一次循環(huán)控制，然后等待下一次定時時間中斷。主、從機(jī)械手控制器控制流程如圖8所示。

圖8 主、從機(jī)械手控制器流程圖

4.2 力反饋遙操作實驗

為了實現(xiàn)抓取樣本的軟硬感覺，設(shè)計了從手虛擬力反饋實驗。從手不用觸覺力傳感器測量觸覺力，而是將從手力fs表示為角位移的函數(shù)，如式(7)所示，ks為虛擬彈簧系數(shù)。從手力反饋控制力發(fā)送給主機(jī)械手控制器，主手端感覺從手好像抓取了一個彈簧一樣，抓取的角位移越大，則從手端的反饋力越大，設(shè)置不同的彈性系數(shù)，則實現(xiàn)不同剛度材料的抓取，在主手操作過程中就可以感受到從手端抓取樣本的剛度系數(shù)不同。

(7)

設(shè)定主手PID參數(shù)為：kmp=0.1、kmi=0.01、kmd=0.01；從手PID參數(shù)為：ksp=0.1、ksi=0.01、ksd=0.01。實驗過程撥動主機(jī)械手的撥桿，將手指力作用于觸覺力傳感器上，實現(xiàn)主手最大位置的撥動，循環(huán)實驗多次，通過上位機(jī)接收數(shù)據(jù)并記錄主、從手力、位移信息。設(shè)定從手虛擬彈性系數(shù)ks=2.2、7.2時遙操作實驗力、位置跟蹤曲線分別如圖9、圖10所示。

圖9 虛擬力反饋實驗跟蹤曲線圖(ks=2.2)

圖10 遙操作虛擬力反饋實驗跟蹤曲線圖(ks=7.2)

由圖9、圖10可知，從手在受到觸覺力的條件下，依然保證對主手的位置跟蹤，響應(yīng)速度快，超調(diào)量小，跟蹤誤差在5%以內(nèi)，在主手上實現(xiàn)了對從手觸覺力的一致性。由于主手操作會出現(xiàn)一定的抖動，造成測量中有一定的干擾。主手力測量參考電壓選擇2.5 V,造成在2 500 mV處出現(xiàn)了限位。主手上力釋放后，從手、主手最終靜止在初始位置。

由于步進(jìn)電機(jī)帶自鎖功能，沒有控制信號直接撥動電機(jī)軸轉(zhuǎn)動造成電機(jī)的堵轉(zhuǎn)燒毀電機(jī)。初始時刻步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)軸有一個初始角度。在遙操作實驗過程中，當(dāng)主手上沒有觸覺力時，但主手控制器對觸覺力采集不會完全意義上的為0，而是一個較小值，此時若從手力為0，控制器會控制步進(jìn)電機(jī)一直減小角位移達(dá)到最小角位移處，而無法搬動撥桿。操作者不操作主機(jī)械手時，從手有較小值觸覺力存在，類似力覺再現(xiàn)實驗，主手控制器會將步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動的撥桿控制到初始位置。

5 結(jié)束語

為了實現(xiàn)遙操作系統(tǒng)中精細(xì)化操作的目的，設(shè)計了用于人機(jī)交互功能的力反饋裝置。該裝置為單自由度結(jié)構(gòu)，基于步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動。利用STM32微控制器采集觸覺力信號以及關(guān)節(jié)位移信號，通過設(shè)計基于力誤差的控制律調(diào)整位置變量實現(xiàn)輸出力信號與標(biāo)準(zhǔn)力信號的匹配。為了驗證該力反饋裝置進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)力信號再現(xiàn)實驗。并且利用該力反饋裝置作為主機(jī)械手與單自由度從機(jī)械手搭建遙操作裝置，進(jìn)行了力、位置雙邊跟蹤實驗驗證，滿足了該系統(tǒng)上實現(xiàn)對從手上對樣本抓取抓住、抓牢的特點，并且在主手上能夠感受抓取樣本的剛度，實現(xiàn)了主、從機(jī)械手力、位置協(xié)同一致的目的。整體系統(tǒng)具有很好的透明性、穩(wěn)定性。