專利名稱：兩自由度位置反饋型雙向伺服手控器控制系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種2自由度"位置反饋型"雙向伺服手控器控制系統(tǒng)，可廣泛應用于航空 航天、海洋開發(fā)、核能、搶險救助、醫(yī)療、虛擬現(xiàn)實、游戲業(yè)等領域。
技術背景針對手控器與被操縱對象構(gòu)成的雙向伺服控制系統(tǒng)，目前國際上已經(jīng)嘗試了多種主一從 伺服控制方法，包括位置對稱型、力直接反饋型、力偏差反饋型、位置和力偏差反饋型等等。這些力反饋控制方法具有統(tǒng)一的特征(1) 從動機械手位移跟隨手控器的位移；(2) 將從動機械手的作用力和主、從手的位置偏差信息處理后反饋到手控器產(chǎn)生反饋力。 通過試驗發(fā)現(xiàn)這些方法存在如下問題(1) 當從動機械手接觸到剛性較大物體(如石塊等)時，手控器上所受反饋力沖擊過大， 使手控器發(fā)振而不易控制；(2) 從手控器上不能較好地感知從動機械手的位置情況及從手的運動干涉情況，從動機 械手被卡住時，手控器仍然可以被推動。(3) 手控器反饋力小時力感不明顯，反饋力大時手控器與從動機械手較難隨人的意志而 運動。2003年，日本學者久富(S.Kudomi)對上述方法進行實驗后發(fā)現(xiàn)，控制效果相對較好的 是力偏差反饋型，但仍然存在一個重要不足，即當從動機械手接觸到剛性較大物體(如石塊 等)時，手控器上所受反饋力沖擊過大，使手控器發(fā)振而不易控制。為了改進這一缺點，他 提出了力《立置復合控制方案，并在手控器的控制程序中加入了狀態(tài)觀測器(Disturbance observer),以消除手控器各自由度動態(tài)特性的差異。從其所提供的實驗結(jié)果來看，雖然此控 制方法從一定程度上緩解了手控器上的反饋力沖擊，但從動機械手對手控器的位置跟隨特性 有所變差。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于為克服現(xiàn)有雙向伺服控制算法中力反饋控制方法的不足，使操縱者更 好地把握從動機械手的位置狀況與干涉情況，并且可以獲得較好的控制隨動性及反饋力感 覺，提供一種全新的兩自由度位置反饋型雙向伺服手控器控制系統(tǒng)。本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的，結(jié)合


如下一種兩自由度位置反饋型雙向伺服手控器控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由主動側(cè)電動式手控 器、計算機控制單元、從動機械手組成，所述的計算機控制單元由主動側(cè)控制器、位置調(diào)整 器、力調(diào)整器、從動側(cè)控制器和狀態(tài)觀測器單元組成，所述的主動側(cè)電動式手控器由操縱手柄、交叉布置的x向轉(zhuǎn)軸、y向轉(zhuǎn)軸，驅(qū)動轉(zhuǎn)軸的伺服電機和渦輪蝸桿機構(gòu)組成，操縱手柄 上裝有可以測得操縱者在x、 y向的施力的二維力傳感器，x向轉(zhuǎn)軸和y向轉(zhuǎn)軸的一端裝有x 軸角度傳感器和y軸角度傳感器，另一端裝有由伺服電機驅(qū)動的渦輪蝸桿傳動機構(gòu)；所述的 二維力傳感器和角度傳感器的檢測值分別經(jīng)放大電路和A/D轉(zhuǎn)換輸入計算機控制單元，經(jīng) 計算機控制單元處理的數(shù)據(jù)一路經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換輸出驅(qū)動2自由度從動機械手運動，另一路徑 D/A轉(zhuǎn)換后通過放大電路驅(qū)動兩個伺服電機運動。所述的主動側(cè)電動式手控器的操縱力經(jīng)二維力傳感器檢測、放大電路放大、A/D轉(zhuǎn)換后 的數(shù)據(jù)送入力調(diào)整器單元，遠端從手阻力檢測值經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)也送入力調(diào)整器單元， 經(jīng)力調(diào)整器單元處理后的數(shù)據(jù)送入從動側(cè)控制器單元，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換輸出驅(qū)動2自由度從動 機械手運動。所述的2自由度從動機械手的位移檢測值經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后，送入位置調(diào)整器單元，同時 主動側(cè)電動式手控器中的角度傳感器的轉(zhuǎn)角測量值通過放大電路放大、經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后也送 入位置調(diào)整器單元，在位置調(diào)整器單元中經(jīng)比較計算后將數(shù)據(jù)送入主動側(cè)控制器單元，若有 差值，則主動側(cè)控制器單元發(fā)出控制信號，該信號經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換、放大電路放大后作為控制 伺服電機的控制信號，驅(qū)動伺服電機，帶動蝸桿渦輪機構(gòu)，驅(qū)動手控器轉(zhuǎn)軸運動，其位移量 始終跟隨從手的位移量。所述的狀態(tài)觀測器單元裝在從動機械手控制系統(tǒng)中，根據(jù)2自由度從動機械手的輸入信 號和輸出信號的不同，對2自由度從動機械手的輸入進行調(diào)整，以消除2自由度從動機械手 各自由度之間摩擦阻力的差異、控制硬件動態(tài)特性的差異及其隨溫度的漂移。所述的主動側(cè)電動式手控器中的x、 y向伺服電機驅(qū)動的渦輪蝸桿機構(gòu)傳動是反向自鎖的 不可逆?zhèn)鲃?，操縱者對操縱手柄施力時，不能直接使手控器沿x軸或y軸方向做回轉(zhuǎn)運動，在 于主動側(cè)電動式手控器只能跟隨2自由度從動機械手的運動而運動。操作者施加于手控器上的力以及從動機械手上的作用力信號，通過力傳感器檢測并傳送 到力調(diào)整器，用手控器的操縱力乘以一定比例后減去從動機械手工作阻力所得的力偏差信號 去驅(qū)動從動機械手使其產(chǎn)生位移。這種方案相當于人通過傳力機構(gòu)將力傳到從動機械手上克 服其工作阻力來完成工作，與現(xiàn)有的控制方案相比，其控制方法更加符合從動機械手工作的 動力學原理。將從動機械手的位移與主動側(cè)手控器位移信號，通過位移傳感器檢測并將其傳送到位置 調(diào)整器。若位置調(diào)整器有偏差信號輸出到主動側(cè)控制器，主動側(cè)控制器發(fā)出控制信號，驅(qū)動 伺服電機，通過渦輪蝸桿機構(gòu)帶動手控器追蹤從動機械手的位移；若位置調(diào)整器沒有偏差信 號輸出到主動側(cè)控制器，則主動側(cè)控制器無控制信號發(fā)出，從動側(cè)機械手被卡住時會出現(xiàn)此 類情況，此時伺服電機處于停止狀態(tài)，由于渦輪蝸桿機構(gòu)是反向自鎖的，所以不論操作者向 手控器上施加多大的力，手動器都不會運動，從而保證了手控器的位置是絕對跟隨從動機械 手運動的，不會受到手控器反饋力的干擾，這樣就從機構(gòu)學上保證了手控器的位姿能夠準確 地反映從動機械手的位置狀況和干涉情況。為了便于向手控器上施力促使從動機械手完成所期望的動作，而且其輸出的控制信號不 會受到從動機械手反饋力的影響，使操縱者能夠準確判斷出從動機械手位置狀況，且其位移 完全跟隨從動機械手的位移，所以采用的方案是手控器上反饋回來的是位移信號而非力信 號。"位置反饋型"雙向伺服控制方案其控制原理是"用操縱力與從動機械手工作阻力的力 偏差信號控制從動機械手的運動，再使手控器跟隨從動機械手運動"，無論是操縱力大于工 作阻力，還是工作阻力大于操縱力，從動機械手都會有位移產(chǎn)生，操縱者施力于手控器后通 過反饋到手控器上的位移大小，即可了解從動機械手上作用的阻力大小及作業(yè)對象的軟硬。在從動機械手控制系統(tǒng)中加入"狀態(tài)觀測器"，可以使操作者的操作意志在從動機械手 一側(cè)更加準確地呈現(xiàn)出來?，F(xiàn)實中使用的主一從式雙向伺服控制系統(tǒng)，主手與從手一般是異 構(gòu)的，因各個自由度動力傳遞路線上摩擦阻力的不同、慣量特性的不同、控制硬件的差異等， 有時會使各個自由度的頻響特性有較大的差異，如果不進行補償，操縱后產(chǎn)生的位移可能與 操縱者所期望的目標位移產(chǎn)生一定的差異。本發(fā)明用狀態(tài)觀測器來消除從動機械手上各自由 度動態(tài)特性的差異，這樣可使雙向伺服控制系統(tǒng)的控制特性更加優(yōu)異。本發(fā)明的技術效果是以往的手控器，使人的操縱力與反饋力疊加后產(chǎn)生位移，并以該 位移信號去控制從動機械手的運動，在抓取大剛性物體時因反饋力較大，手控器會變得難以 控制，有時還會產(chǎn)生自振。本發(fā)明提供的手控器，因沒有力反饋到手控器，所以不會產(chǎn)生前 述現(xiàn)象，因而其控制過程會比較穩(wěn)定。

圖1是"位置反饋型"雙向伺服手控器控制框圖； 圖2是"位置反饋型"雙向伺服手控器控制系統(tǒng)圖。圖中1-操縱手柄 2、 3-y軸蝸桿渦輪機構(gòu)4-y軸伺服電機5、 6-x軸蝸桿渦輪機構(gòu) 7-x軸伺服電機8-手控器x向轉(zhuǎn)軸9-手控器y向轉(zhuǎn)軸10-y軸角度傳感器ll-x軸角度 傳感器 12-二維力傳感器 13、 14、 22、 24、 25-放大電路 15、 16、 17、 18-A/D轉(zhuǎn)換 19、 21-D/A轉(zhuǎn)換20-2自由度從動機械手23-計算機控制單元具體實施方式
下面結(jié)附圖所示實施例進一步說明本發(fā)明的具體內(nèi)容及其控制過程。 參閱附圖l、 2，"位置反饋型"雙向伺服手控器控制系統(tǒng)主要包括主動側(cè)電動式手控 器(可采用2自由度)、計算機控制單元23 (主動側(cè)控制器、位置調(diào)整器、力調(diào)整器、從動 側(cè)控制器、狀態(tài)觀測器)、2自由度從動機械手20， A/D轉(zhuǎn)換15、 16、 17、 18和D/A轉(zhuǎn)換 19、 21及放大電路13、 14、 22、 24、 25。當操作者按某一方向?qū)χ鲃觽?cè)電動式手控器的操縱手柄1施力時，由操縱桿上的二維力 傳感器12檢測出操作者的作用力，并經(jīng)放大電路14放大，送入A/D15中，進行A/D轉(zhuǎn)換 后的數(shù)據(jù)乘以一定的系數(shù)后，送入計算機控制單元23中的力調(diào)整器單元，遠端2自由度從 動機械手20阻力檢測值通過A/D18轉(zhuǎn)換也送入計算機控制單元23中的力調(diào)整器單元。在力調(diào)整器單元中，用主動側(cè)電動式手控器上的力減去遠端2自由度從動機械手20阻力，再 經(jīng)過特定的標定算法處理后，將數(shù)據(jù)送入計算機控制單元23中的從動側(cè)控制器單元，經(jīng) D/A19轉(zhuǎn)換輸出驅(qū)動2自由度從動機械手20運動。2自由度從動機械手20位移檢測值經(jīng) A/D17轉(zhuǎn)換后，將數(shù)據(jù)送入計算機控制單元23中的位置調(diào)整器單元中，同時，主動側(cè)電動 式手控器中的角度傳感器ll、 10也將轉(zhuǎn)角測量值通過放大電路13、 25放大、A/D16轉(zhuǎn)換后 送入計算機控制單元23中的位置調(diào)整器單元中。在位置調(diào)整器中，對2自由度從動機械手 20位移檢測值和主動側(cè)電動式手控器位置測量值進行比較并經(jīng)過特定的標定算法計算后， 將數(shù)據(jù)送入計算機控制單元23中的主動側(cè)控制器單元，若2自由度從動機械手20位移檢測 值和主動側(cè)電動式手控器位置測量值之間有差值，則主動側(cè)控制器單元發(fā)出控制信號，該信 號經(jīng)D/A21轉(zhuǎn)換、放大電路22、 24放大后作為控制兩個伺服電機4、 7的控制信號，驅(qū)動 伺服電機帶動蝸桿渦輪機構(gòu)2、 3和5、 6使主動側(cè)電動式手控器位移量始終跟隨2自由度從 動機械手20的位移量變化。參閱附圖1，為了使操作者的操作意志在2自由度從動機械手20—側(cè)更加準確地呈現(xiàn) 出來，在從動機械手控制系統(tǒng)中加入了 "狀態(tài)觀測器"。將從動側(cè)控制器單元輸出信號和2 自由度從動機械手20的位移檢測值輸入到狀態(tài)觀測器中，通過特定的算法計算后輸出，調(diào) 整補償從動側(cè)控制器單元輸出信號，使2自由度從動機械手20產(chǎn)生的位移與操縱者所期望 的目標位移一致。
權(quán)利要求
1、一種兩自由度位置反饋型雙向伺服手控器控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由主動側(cè)電動式手控器、計算機控制單元、從動機械手組成，其特征在于所述的計算機控制單元由主動側(cè)控制器、位置調(diào)整器、力調(diào)整器、從動側(cè)控制器和狀態(tài)觀測器單元組成，所述的主動側(cè)電動式手控器由操縱手柄、交叉布置的x向轉(zhuǎn)軸、y向轉(zhuǎn)軸，驅(qū)動轉(zhuǎn)軸的伺服電機和渦輪蝸桿機構(gòu)組成，操縱手柄上裝有可以測得操縱者在x、y向的施力的二維力傳感器，x向轉(zhuǎn)軸和y向轉(zhuǎn)軸的一端裝有x軸角度傳感器和y軸角度傳感器，另一端裝有由伺服電機驅(qū)動的渦輪蝸桿傳動機構(gòu)；所述的二維力傳感器和角度傳感器的檢測值分別經(jīng)放大電路和A/D轉(zhuǎn)換輸入計算機控制單元，經(jīng)計算機控制單元處理的數(shù)據(jù)一路經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換輸出驅(qū)動2自由度從動機械手運動，另一路徑D/A轉(zhuǎn)換后通過放大電路驅(qū)動兩個伺服電機運動。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的兩自由度位置反饋型雙向伺服手控器控制系統(tǒng)，其特征在于 所述的主動側(cè)電動式手控器的操縱力經(jīng)二維力傳感器檢測、放大電路放大、A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù) 據(jù)送入力調(diào)整器單元，遠端從手阻力檢測值經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)也送入力調(diào)整器單元，經(jīng) 力調(diào)整器單元處理后的數(shù)據(jù)送入從動側(cè)控制器單元，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換輸出驅(qū)動2自由度從動機 械手運動。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的兩自由度位置反饋型雙向伺服手控器控制系統(tǒng)，其特征在于 所述的2自由度從動機械手的位移檢測值經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后，送入位置調(diào)整器單元，同時主動 側(cè)電動式手控器中的角度傳感器的轉(zhuǎn)角測量值通過放大電路放大、經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后也送入位 置調(diào)整器單元，在位置調(diào)整器單元中經(jīng)比較計算后將數(shù)據(jù)送入主動側(cè)控制器單元，若有差值， 則主動側(cè)控制器單元發(fā)出控制信號，該信號經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換、放大電路放大后作為控制伺服電 機的控制信號，驅(qū)動伺服電機，帶動蝸桿渦輪機構(gòu)，驅(qū)動手控器轉(zhuǎn)軸運動，其位移量始終跟 隨從手的位移量。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的兩自由度位置反饋型雙向伺服手控器控制系統(tǒng)，其特征在于 所述的狀態(tài)觀測器單元裝在從動機械手控制系統(tǒng)中，根據(jù)2自由度從動機械手的輸入信號和 輸出信號的不同，對2自由度從動機械手的輸入進行調(diào)整，以消除2自由度從動機械手各自 由度之間摩擦阻力的差異、控制硬件動態(tài)特性的差異及其隨溫度的漂移。
5、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的兩自由度位置反饋型雙向伺服手控器控制系統(tǒng)，其特征在于所 述的主動側(cè)電動式手控器中的x、 y向伺服電機驅(qū)動的渦輪蝸桿機構(gòu)傳動是反向自鎖的不可逆 傳動，操縱者對操縱手柄施力時，不能直接使手控器沿x軸或y軸方向做回轉(zhuǎn)運動，在于主動 側(cè)電動式手控器只能跟隨2自由度從動機械手的運動而運動。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種兩自由度位置反饋型雙向伺服手控器控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由主動側(cè)電動式手控器、計算機控制單元、從動機械手組成，所述的計算機控制單元由主動側(cè)控制器、位置調(diào)整器、力調(diào)整器、從動側(cè)控制器和狀態(tài)觀測器單元組成，所述的主動側(cè)電動式手控器由操縱手柄和交叉布置的x向轉(zhuǎn)軸、y向轉(zhuǎn)軸，及驅(qū)動轉(zhuǎn)軸的伺服電機及渦輪蝸桿機構(gòu)組成，其中的渦輪蝸桿傳動具有自鎖功能。由該手控器組成的雙向伺服控制系統(tǒng)，其控制原理打破了目前國際上一直沿用的雙向伺服控制慣例，而是用手控器的操縱力控制從動機械手，反過來使手控器跟隨從動機械手運動。其優(yōu)點是可以使操縱者更好地把握從動機械手的位置狀況與干涉情況，并且可以獲得較好的操縱力感覺。
文檔編號B25J13/00GK101327591SQ200810050990
公開日2008年12月24日 申請日期2008年7月22日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月22日
發(fā)明者濤 尚, 趙丁選 申請人:吉林大學