專利名稱：基于觸覺(jué)傳感器的遙操作機(jī)器人力覺(jué)臨場(chǎng)感控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及控制技術(shù)，特別地，涉及一種基于力觸覺(jué)傳感器的遙操作機(jī)器人系統(tǒng) 中力覺(jué)臨場(chǎng)感的控制方法。
背景技術(shù)：
遙操作機(jī)器人系統(tǒng)目的是把人和機(jī)器人連接起來(lái)，由機(jī)器人在遠(yuǎn)端重現(xiàn)操作者的 動(dòng)作。一般遙操作機(jī)器人是使用在人難以接近的、難以進(jìn)入或?qū)θ擞泻Φ沫h(huán)境中，如太空、 深海、核放射區(qū)域。臨場(chǎng)感技術(shù)是一種先進(jìn)的人與機(jī)器人交互的方式，其基本概念一方面 通過(guò)操作者周圍的多傳感器系統(tǒng)將操作者的運(yùn)動(dòng)和位置信息實(shí)時(shí)檢測(cè)并作為控制指令送 到遠(yuǎn)地機(jī)器人控制器中；另一方面通過(guò)在遠(yuǎn)地機(jī)器人上安裝的多傳感器系統(tǒng)將機(jī)器人和環(huán) 境以及兩者的交互信息(包括視覺(jué)，聽(tīng)覺(jué)，力覺(jué)等信息)實(shí)時(shí)地檢測(cè)并以自然和真實(shí)的方式 直接反饋給操作者，使操作者產(chǎn)生身臨其境的感受，從而有效地感知環(huán)境及控制機(jī)器人。其 中，力覺(jué)臨場(chǎng)感是反饋的主要信息之一，對(duì)操作者能否對(duì)遠(yuǎn)端進(jìn)行準(zhǔn)確的操作起到關(guān)鍵的 作用。使操作者在主邊準(zhǔn)確地感知到從邊反饋的力信號(hào)，是遙操作機(jī)器人系統(tǒng)中的關(guān)鍵 問(wèn)題。目前的力反饋都是基于力傳感器的?；诹鞲衅鞯木扔邢蓿３?huì)使主邊的操 作者感受到的反饋力不準(zhǔn)確，會(huì)影響到控制的穩(wěn)定性。另外，從機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)時(shí)還有慣性力 和重力的干擾，令操作者在從機(jī)器人與環(huán)境接觸之前就感受到反饋力，大大影響了臨場(chǎng)感 效果。如何使操作者精確地感知接觸與否，如何提高遙操作系統(tǒng)的操作性，是當(dāng)前遙操作系 統(tǒng)的研究的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于觸覺(jué)傳感器的力覺(jué)臨場(chǎng)感 技術(shù)的控制方法，它能使操縱者所感受到的反饋力更加準(zhǔn)確。本發(fā)明采用如下技術(shù)方案所述遙操作機(jī)器人力覺(jué)臨場(chǎng)感控制方法包括主邊回路和從邊回路，主邊回路由 主邊回路開(kāi)關(guān)、主邊控制器、主機(jī)器人和比較器構(gòu)成，從邊回路由從邊控制器、從機(jī)器人和 比較器構(gòu)成，具體操作步驟如下將位置差信號(hào)Xu發(fā)送給從邊控制器，從邊控制器采用比例積分控制器且從邊控制 器形成的輸出控制量Us為\ = Bs χ ^xm-xs) + Ksx(xm-xs)，其中Bs為從邊控制器的積分系數(shù)， Ks為從邊控制器的比例系數(shù)，t為時(shí)間量，從邊控制器將所述輸出控制量Us輸出給從機(jī)器人 并用于控制從機(jī)器人運(yùn)動(dòng)，在從機(jī)器人上設(shè)置觸覺(jué)傳感器且所述觸覺(jué)傳感器用于感知環(huán)境 對(duì)從機(jī)器人的作用力fe，當(dāng)作用力f；大于閾值&時(shí)，接通主邊回路中的主邊回路開(kāi)關(guān)，所述 位置差信號(hào)被輸入至主邊控制器并由主邊控制器將位置差信號(hào)轉(zhuǎn)化為主邊控制器的輸出
控制量為 =釓Χ+ & -。，其中Bm為主邊控制器的積分系數(shù)，Km為主邊控制器的比例系數(shù)，t為時(shí)間量，最后，將主邊控制器的輸出控制量輸出至主機(jī)器人并由主機(jī)器人 產(chǎn)生作用于操縱者的反饋力，使操作者產(chǎn)生力覺(jué)臨場(chǎng)感，同時(shí)從機(jī)器人跟隨主機(jī)器人運(yùn)動(dòng)； 當(dāng)反饋力信號(hào)f；小于閾值fT時(shí)，主機(jī)器人不提供反饋力給操作者，只有從機(jī)器人跟隨主機(jī) 器人運(yùn)動(dòng)。所述位置差信號(hào)Xu主邊位置信號(hào)Xm與從機(jī)器人反饋的從邊位置信號(hào)Xs之差構(gòu)成， 位置差信號(hào)Xu = Xm-X3O本發(fā)明的有益效果在于1.本控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了遙操作機(jī)器人的力覺(jué)臨場(chǎng)感控制。2.引入觸覺(jué)傳感器，根據(jù)系統(tǒng)中的從機(jī)器人與環(huán)境接觸的情況，觸覺(jué)傳感器可以 控制遙操作機(jī)器人系統(tǒng)的主邊回路的接通與斷開(kāi)，當(dāng)從機(jī)器人與環(huán)境接觸，就接通主邊回 路，使主機(jī)器人產(chǎn)生反饋力給操作者；當(dāng)從機(jī)器人未與環(huán)境接觸，就斷開(kāi)主邊回路，不提供 力反饋，由此使得操作者可以清晰的判斷從機(jī)器人與環(huán)境的是否接觸。3.由于從機(jī)器人未與環(huán)境接觸時(shí)沒(méi)有力反饋，這樣就消除了從機(jī)器人在未與環(huán)境 接觸的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，由于力傳感器精度低、重力、慣性力干擾等因素而使主機(jī)器人產(chǎn)生的不 需要的反饋力，而在從機(jī)器人與環(huán)境接觸的之后再準(zhǔn)確地傳遞環(huán)境的反饋力。4.該方法提高的遙操作機(jī)器人系統(tǒng)的感知能力，能極大地拓寬遙操作機(jī)器人的應(yīng) 用范圍，如在遠(yuǎn)程醫(yī)療中提高控制精度、遙操作移動(dòng)機(jī)器人的準(zhǔn)確定位等等。


圖1是本發(fā)明的遙操作機(jī)器人控制模型圖。圖2是位置信號(hào)仿真結(jié)果。圖3是力信號(hào)仿真結(jié)果。
具體實(shí)施例方式所述遙操作機(jī)器人力覺(jué)臨場(chǎng)感控制方法包括主邊回路1和從邊回路2，主邊回路 1由主邊回路開(kāi)關(guān)13、主邊控制器14、主機(jī)器人12和比較器構(gòu)成，從邊回路2由從邊控制器 21、從機(jī)器人22和比較器構(gòu)成，具體操作步驟如下將位置差信號(hào)Xu發(fā)送給從邊控制器21，從邊控制器21采用比例積分控制器且從 邊控制器21形成的輸出控制量Us為K=錢(qián)Χ+ _。，其中Bs為從邊控制器的 積分系數(shù)，Ks為從邊控制器的比例系數(shù)，t為時(shí)間量，從邊控制器21將所述輸出控制量Us 輸出給從機(jī)器人22并用于控制從機(jī)器人22運(yùn)動(dòng)，在從機(jī)器人22上設(shè)置觸覺(jué)傳感器24且 所述觸覺(jué)傳感器用于感知環(huán)境對(duì)從機(jī)器人的作用力f；，當(dāng)f；大于閾值fT時(shí)，接通主邊回路 1中的主邊回路開(kāi)關(guān)13，所述位置差信號(hào)被輸入至主邊控制器14并由主邊控制器14將位 置差信號(hào)轉(zhuǎn)化為主邊控制器14的輸出控制量為"m =Bm χ l(xm-xs) + Kmx(xm-xs)，其中Bm為主 邊控制器的積分系數(shù)，Kffl為主邊控制器的比例系數(shù)，t為時(shí)間量，最后，將主邊控制器14的 輸出控制量輸出至主機(jī)器人12并由主機(jī)器人12產(chǎn)生作用于操縱者11的反饋力，使操作者 11產(chǎn)生力覺(jué)臨場(chǎng)感，同時(shí)從機(jī)器人22跟隨主機(jī)器人12運(yùn)動(dòng)；當(dāng)反饋力信號(hào)f；小于閾值fT 時(shí)，主機(jī)器人12不提供反饋力給操作者11，只有從機(jī)器人22跟隨主機(jī)器人12運(yùn)動(dòng)。
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所述位置差信號(hào)Xu主邊位置信號(hào)Xm與從機(jī)器人22反饋的從邊位置信號(hào)Xs之差 構(gòu)成，位置差信號(hào)Xu = Xffl-X3O該位置差信號(hào)是由比較器產(chǎn)生，本發(fā)明中比較器的作用效果 是兩個(gè)輸入值相減。下面通過(guò)實(shí)例，對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
做出更為詳細(xì)的說(shuō)明(1)操作者11操作主機(jī)器人12，產(chǎn)生主邊位置信號(hào)xm。主邊位置信號(hào)Xm與從機(jī) 器人22反饋的從邊位置信號(hào)Xs構(gòu)成位置差信號(hào)Xu = Xffl-Xs,該位置差信號(hào)經(jīng)過(guò)從邊控制器 21 (比例積分控制器)獲得輸出控制量、，、為《，=戰(zhàn)>^( -\) +民><氏-\)，其中氏為從邊 控制器的積分系數(shù)，Ks為從邊控制器的比例系數(shù)，t為時(shí)間量。該控制量進(jìn)入從機(jī)器人22， 控制從機(jī)器人22運(yùn)動(dòng)。在仿真實(shí)例中，將在2秒時(shí)刻啟動(dòng)的斜坡信號(hào)(輸入信號(hào)模型即為
^) = {θ.30-2) 1>2't^WfBlfi)作為主機(jī)器人12傳遞的主邊位置信號(hào)Xm，輸入到遙操作
系統(tǒng)。主邊位置信號(hào)Xm與從機(jī)器人22的反饋信號(hào)Xs的差值信號(hào)Xu輸入到從邊控制器21。 從邊控制器21為比例積分控制器，在仿真實(shí)例中，積分系數(shù)Bs取20，比例系數(shù)Ks取200。 從邊控制器21的輸出控制量Us輸入到從機(jī)器人22 (令從機(jī)器人模型為Λ = msx + bsx + ksx,ms =2，bs = 0. 001，ks = 0，ms為從機(jī)器人的慣性系數(shù)，bs為從機(jī)器人的阻尼系數(shù)，ks為從機(jī) 器人的比例系數(shù))，控制從機(jī)器人22運(yùn)動(dòng)。(2)從機(jī)器人22運(yùn)動(dòng)并與環(huán)境23作用，產(chǎn)生作用于環(huán)境23上的力，同時(shí)，由于力 的作用是相互的，環(huán)境23也產(chǎn)生作用于從機(jī)器人22的反饋力f；。當(dāng)從機(jī)器人22與環(huán)境 23(環(huán)境模型為慣性分量、阻尼分量和彈性分量的組合，在本實(shí)例中將環(huán)境模型簡(jiǎn)化為只有 彈性分量，彈性系數(shù)Ke = 0. 8)接觸時(shí)，從機(jī)器人22作用于環(huán)境23的力與環(huán)境23作用于 從機(jī)器人22的力相等，即fs = fe。(3)將觸覺(jué)傳感器24(本發(fā)明使用的是力觸覺(jué)傳感器)置于從機(jī)器人22處，觸覺(jué) 傳感器24的存在可以使遙操作系統(tǒng)準(zhǔn)確地感知從機(jī)器人是否與環(huán)境23接觸，當(dāng)從機(jī)器人 22未與環(huán)境23接觸時(shí)，觸覺(jué)傳感器24切斷主邊回路，操作者11感受不到主機(jī)器人12的力 反饋，而從機(jī)器人22僅僅跟蹤主機(jī)器人12作位置運(yùn)動(dòng)；當(dāng)從機(jī)器人22與環(huán)境23接觸時(shí)， 觸覺(jué)傳感器24打開(kāi)主邊回路，使操作者11明確感知到主機(jī)器人12作用力的存在。而且，可 以根據(jù)遙操作機(jī)器人使用環(huán)境的不同，調(diào)節(jié)觸覺(jué)傳感器的閾值，以此增強(qiáng)實(shí)際的控制效果。 環(huán)境作用于從機(jī)器人的反饋力信號(hào)f；進(jìn)入觸覺(jué)傳感器，由觸覺(jué)傳感器設(shè)定的閾值(觸覺(jué)傳
感器模型Γ(0 = |丨H，t為時(shí)間量，在仿真實(shí)例中取fT = 0)來(lái)控制主邊位置差信號(hào)反饋
的通斷。在比較器和主邊控制器14之間設(shè)置一個(gè)主邊回路開(kāi)關(guān)13，由從機(jī)器人22上的觸
覺(jué)傳感器24控制。主邊控制器14的輸出控制量為um，" =扎+，其中
Bffl為主邊控制器的積分系數(shù)，Kffl為主邊控制器的比例系數(shù)，t為時(shí)間量，仿真實(shí)例中積分系 數(shù)Bm取3，比例系數(shù)Km取60。當(dāng)fe > fT時(shí)，主邊回路開(kāi)關(guān)13為接通，位置差信號(hào)進(jìn)入主邊控制器14，控制量信 號(hào)Um再進(jìn)入主機(jī)器人12 (令主機(jī)器人模型為厶=mmx + bjc + kmx ,rnm = 0.6,bm = 0. OOLkm = 0，其中mm為主機(jī)器人的慣性系數(shù)，bm為主機(jī)器人的阻尼系數(shù)，km為主機(jī)器人的比例系數(shù))， 形成主機(jī)器人12對(duì)操作者11的作用力，產(chǎn)生臨場(chǎng)感，并且此時(shí)從機(jī)器人22跟隨主機(jī)器人 12運(yùn)動(dòng)。當(dāng)f； < fT，主邊回路開(kāi)關(guān)13斷開(kāi)，主機(jī)器人12沒(méi)有反饋力作用于操作者11，只有從機(jī)器人22跟隨主機(jī)器人12運(yùn)動(dòng)。這樣，操作者11就能準(zhǔn)確地感知到反饋力，而且可 以明確知道從機(jī)器人是否與環(huán)境接觸。圖2是本發(fā)明的位置信號(hào)仿真結(jié)果。實(shí)線代表主邊位置信號(hào)，虛線代表從邊位置 信號(hào)，可以看出從機(jī)器人22能夠較好地跟蹤主機(jī)器人12運(yùn)動(dòng)。圖3是本發(fā)明的力信號(hào)仿 真結(jié)果。實(shí)線代表環(huán)境作用于從機(jī)器人22的力，而虛線代表主機(jī)器人12作用于操作者11 的反饋力，可以看出主機(jī)器人12提供的反饋力較好地跟蹤了環(huán)境23作用于從機(jī)器人22的 力，而在環(huán)境作用力產(chǎn)生之前由于觸覺(jué)傳感器24的作用，主機(jī)器人12沒(méi)有任何力反饋的干 擾，這樣就形成了良好的臨場(chǎng)感效果，提高操作者11的控制準(zhǔn)確性。本發(fā)明說(shuō)明書(shū)中未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬于本鄰域?qū)I(yè)技術(shù)人員公知的現(xiàn)有技術(shù)。
權(quán)利要求
一種基于觸覺(jué)傳感器的遙操作機(jī)器人力覺(jué)臨場(chǎng)感控制方法，其特征在于，所述遙操作機(jī)器人力覺(jué)臨場(chǎng)感控制方法包括主邊回路(1)和從邊回路(2)，主邊回路(1)由主邊回路開(kāi)關(guān)(13)、主邊控制器(14)、主機(jī)器人(12)和比較器構(gòu)成，從邊回路(2)由從邊控制器(21)、從機(jī)器人(22)和比較器構(gòu)成，具體操作步驟如下將位置差信號(hào)xu發(fā)送給從邊控制器，從邊控制器采用比例積分控制器且從邊控制器形成的輸出控制量us為其中Bs為從邊控制器的積分系數(shù)，Ks為從邊控制器的比例系數(shù)，t為時(shí)間量，從邊控制器將所述輸出控制量us輸出給從機(jī)器人并用于控制從機(jī)器人運(yùn)動(dòng)，在從機(jī)器人上設(shè)置觸覺(jué)傳感器(24)且所述觸覺(jué)傳感器用于感知環(huán)境對(duì)從機(jī)器人的作用力fe，當(dāng)fe大于閾值fT時(shí)，接通主邊回路中的主邊回路開(kāi)關(guān)，所述位置差信號(hào)被輸入至主邊控制器并由主邊控制器將位置差信號(hào)轉(zhuǎn)化為主邊控制器的輸出控制量um為其中Bm為主邊控制器的積分系數(shù)，Km為主邊控制器的比例系數(shù)，t為時(shí)間量，最后，將主邊控制器的輸出控制量輸出至主機(jī)器人并由主機(jī)器人產(chǎn)生作用于操縱者的反饋力，使操作者產(chǎn)生力覺(jué)臨場(chǎng)感，同時(shí)從機(jī)器人跟隨主機(jī)器人運(yùn)動(dòng)；當(dāng)反饋力信號(hào)fe小于閾值fT時(shí)，主機(jī)器人不提供反饋力給操作者，只有從機(jī)器人跟隨主機(jī)器人運(yùn)動(dòng)。所述位置差信號(hào)xu主邊位置信號(hào)xm與從機(jī)器人反饋的從邊位置信號(hào)xs之差構(gòu)成，位置差信號(hào)xu＝xm-xs。FSA00000172173200011.tif,FSA00000172173200012.tif
全文摘要
一種基于觸覺(jué)傳感器的遙操作機(jī)器人力覺(jué)臨場(chǎng)感控制方法，包括主邊回路和從邊回路，主邊回路由主邊回路開(kāi)關(guān)、主邊控制器、主機(jī)器人和比較器構(gòu)成，從邊回路由從邊控制器、從機(jī)器人和比較器構(gòu)成，步驟如下將位置差信號(hào)xu發(fā)送給從邊控制器，從邊控制器形成的輸出控制量us，us進(jìn)入輸出給從機(jī)器人并用于控制從機(jī)器人運(yùn)動(dòng)，在從機(jī)器人上設(shè)置觸覺(jué)傳感器用于感知環(huán)境對(duì)從機(jī)器人作用力fe，當(dāng)fe大于閾值fT時(shí)，接通主邊回路中的主邊回路開(kāi)關(guān)，xu被輸入至主邊控制器，輸出控制量為um，最后，將um輸出至主機(jī)器人并由主機(jī)器人產(chǎn)生作用于操縱者的反饋力，使操作者產(chǎn)生力覺(jué)臨場(chǎng)感，同時(shí)從機(jī)器人跟隨主機(jī)器人運(yùn)動(dòng)；當(dāng)反饋力信號(hào)fe小于fT時(shí)，主機(jī)器人不提供反饋力給操作者。
文檔編號(hào)G05B19/418GK101887264SQ20101021860
公開(kāi)日2010年11月17日 申請(qǐng)日期2010年6月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月30日
發(fā)明者吳涓, 宋愛(ài)國(guó), 崔建偉, 李新 申請(qǐng)人:東南大學(xué)