專利名稱：基于虛實力融合的遙操作機(jī)器人力覺臨場感實現(xiàn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及控制技術(shù)，特別地，涉及一種基于虛實力融合的遙操作機(jī)器人力覺臨 場感實現(xiàn)方法。
背景技術(shù)：
在力覺臨場感遙操作機(jī)器人系統(tǒng)中主邊向從邊發(fā)送位置信號，從端將力信號反饋 給操作者，這樣就構(gòu)成了一個操作閉環(huán)。這一操作閉環(huán)中如果沒有時延的存在則是穩(wěn)定的。 但是，由于力覺臨場感遙操作機(jī)器人系統(tǒng)通常應(yīng)用于太空、深海等遠(yuǎn)距離遙控的場合，從機(jī) 器人和本地操作者之間的通訊時延往往成為影響遙控作業(yè)系統(tǒng)正常工作的突出問題。為了 克服時延的影響人們提出了很多方法，主要可以分為兩類1.從控制算法著手，如基于無 源理論的控制方法，以及以后圍繞無源理論的改進(jìn)等；2.利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，建立遠(yuǎn)端環(huán) 境的三維幾何模型以及動力學(xué)模型，主端直接和沒有時延的三維模型交互，通過三維模型 來預(yù)見顯示從端的操作過程，以此來克服時延帶來的影響。其中準(zhǔn)確的模型是保證遙操作 有效克服大時延影響，高質(zhì)量地完成任務(wù)的前提條件，但由于環(huán)境事先未知或部分未知，現(xiàn) 有的虛擬預(yù)測環(huán)境建模方法均存在一定的誤差，這種誤差會隨著時延的增大而增大，從而 造成系統(tǒng)難以穩(wěn)定操作。如何減小通訊時延對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和透 明性事先在遙操作機(jī)器人系統(tǒng)的主要研究方向。另外，實際的遙操作系統(tǒng)中，時延通常是不斷變化的，其通訊過程中的傳輸帶寬是 有限的，這些都給這個遙操作系統(tǒng)的控制帶來了更多的挑戰(zhàn)。尤其是在變時延情況下對突 變信號的獲取是至關(guān)重要的，因為突變信號往往是從機(jī)器人與環(huán)境相互作用的信號或者是 從機(jī)器人狀態(tài)發(fā)生變化的信號，所以這關(guān)乎整個遙操作作業(yè)的安全性，也是操作者能夠做 出及時的反應(yīng)的重要前提。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出了在遙操作機(jī)器人系統(tǒng)中使用虛實力融合的技術(shù)，利用虛擬環(huán)境提供 虛擬力信號，利用高通濾波器和低通濾波器對虛擬力信號以及從邊的反饋力信號進(jìn)程處 理，獲得一個由無時延的高頻力信號與有時延的低頻力信號相融合的反饋力信號，最終使 操作者獲得力覺臨場感?；谔搶嵙θ诤系倪b操作機(jī)器人力覺臨場感實現(xiàn)方法包括主機(jī)器人，通訊時延 環(huán)節(jié)，從機(jī)器人，環(huán)境，虛擬環(huán)境，高通濾波器和低通濾波器構(gòu)成，其中通訊時延環(huán)節(jié)會對信 號造成變化的時延，通過測量獲得時延量T (t)，時延量T (t)的值域為1 20秒，高通濾波 器和低通濾波器的截止頻率都是通訊時延T(t)的函數(shù)且相等，高通濾波器的截止頻率為 ωΗ = kf/T(t)，低通濾波器的截止頻率為= kf/T(t)，kf為調(diào)節(jié)系數(shù)，取值范圍為0 1000,當(dāng)截止頻率需要較大時，kf取較大值；當(dāng)截止頻率需要較小時，kf取較小值。具體操作步驟如下操作者通過主機(jī)器人產(chǎn)生主邊位置信號xm，主邊位置信號Xm進(jìn)入通訊時延環(huán)節(jié)，通訊時延環(huán)節(jié)會對信號造成變化的時延，通過測量獲得時延量T (t)，主邊位置信號Xm延時 后形成從邊位置信號xs，從邊位置信號Xs再進(jìn)入從機(jī)器人，作為從機(jī)器人的輸入，從機(jī)器人 輸出環(huán)境位置信號&作用于環(huán)境，同時，環(huán)境提供給從機(jī)器人環(huán)境反作用力f；，即fe (0 = mexe + dexe + kexe其中，me為環(huán)境的慣性系數(shù)，de為環(huán)境的阻尼系數(shù)，ke為環(huán)境的彈性系數(shù)，從機(jī)器 人根據(jù)環(huán)境反作用力fe輸出從邊力信號fs，再進(jìn)入通訊時延環(huán)節(jié)，延遲后輸出主邊力信號 fm，主邊力信號4再進(jìn)入低通濾波器，輸出低頻力信號f L。主邊位置信號Xm的另一路進(jìn)入 虛擬環(huán)境，輸出虛擬力信號fv，虛擬環(huán)境的模型為 人=m^m + + Kxm=fe+v其中，mv為虛擬環(huán)境的慣性系數(shù)，dv為虛擬環(huán)境的阻尼系數(shù)，kv為虛擬環(huán)境的彈性 系數(shù)，η為虛擬環(huán)境模型與真實環(huán)境模型之間的誤差，該誤差與通訊時延環(huán)節(jié)的時延T(t) 成反比，即η = α · T(t)其中，α為誤差系數(shù)，取值范圍為1 20，虛擬力信號fv再進(jìn)入高通濾波器進(jìn)行 濾波處理，高通濾波器輸出高頻力信號fv H。此高頻力信號fv H與低頻力信號f L進(jìn)行疊 加，形成新的主邊力信號fmn，此新的主邊力信號作用主機(jī)器人，主機(jī)器人再作用于操作 者，使操作者獲得力覺臨場感。本發(fā)明的有益效果在于1.本發(fā)明實現(xiàn)了遙操作機(jī)器人系統(tǒng)力覺臨場感控制。2.通過高通濾波器提取虛擬力信號的高頻力信號，通過低通濾波器提取實際力信 號的低頻力信號，將實際反饋力的低頻力信號與虛擬環(huán)境輸出的高頻力信號進(jìn)行結(jié)合，有 效地減小了時延對控制信號的失穩(wěn)影響，降低了通訊帶寬的要求。3.由于虛擬環(huán)境以及高通濾波器輸出的實時的高頻力信號，將這種虛擬的高頻力 信號在不通過時延環(huán)節(jié)直接與實際的有時延的力信號疊加，反饋給操作者，這樣使操作者 及時地感知到突變信號，這些突變信號都代表了從機(jī)器人與環(huán)境的相互作用的一些突發(fā)情 況，所以本發(fā)明可以使操作者對從邊的突發(fā)情況作出及時的反應(yīng)。
圖1本發(fā)明控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。圖2低通濾波器響應(yīng)圖。圖3高通濾波器響應(yīng)圖。圖4低通濾波器輸出的力信號，即f L。圖5虛擬環(huán)境輸出的力信號，即fv。圖6高通濾波器輸出的力信號，即fvuH。圖7低頻力信號與高頻力信號疊加后的力信號，即f 。
具體實施例方式下面對本發(fā)明的實施例作進(jìn)一步詳細(xì)描述，但本發(fā)明技術(shù)方案的保護(hù)范圍不限于下屬的實施例。本發(fā)明的控制結(jié)構(gòu)由主機(jī)器人、通訊時延環(huán)節(jié)、從機(jī)器人、環(huán)境以及在主機(jī)器人和 通訊時延環(huán)境之間的虛擬環(huán)境、高通濾波器、低通濾波器組成。虛擬環(huán)境的建立是根據(jù)先驗知識盡可能準(zhǔn)確地模擬真實環(huán)境，但在與環(huán)境交 互的過程中總會因為建模不確定項、時延等問題，與真實環(huán)境之間產(chǎn)生誤差。設(shè)真實環(huán) 境模型為Λ + + ，X為位置變量，虛擬環(huán)境的虛擬力反饋一個與時延成正比的 隨機(jī)噪聲的誤差簡化為一個與時延成正比的隨機(jī)噪聲，所以可以設(shè)虛擬環(huán)境的模型為 fv=rnvxm+dvxm+kvxm=fe+n，其中η是通訊時延T(t)的函數(shù)η = α ·Τ( )，代表了虛擬環(huán) 境模型與真實環(huán)境模型的誤差，時延越大該誤差也就越大。為了在變時延情況下及時地獲 取突變信號，本發(fā)明使用了高通濾波器，提取虛擬環(huán)境輸出的高通截止頻率ωΗ以上的高頻 信號。而對于從經(jīng)過通訊時延環(huán)節(jié)反饋回來的力信號，使用低通濾波器對其進(jìn)行濾波處理， 提取截止頻率以下低頻信號。設(shè)通訊時延為T (t)，在通訊時延T (t)變化的情況下，通過將低通濾波器和高通 濾波器的截止頻率設(shè)為時延的函數(shù)T(t)，即低通濾波器和高通濾波器的截止頻率與時延 T(t)成反比，當(dāng)時延為0時，截止頻率為無窮大，高通濾波器阻斷所有從虛擬模型輸出的力 信號，低通濾波器通過所有從從邊傳輸來的力信號，即主機(jī)器人接收到的力信號完全為從 邊傳輸來的力信號；當(dāng)時延為無窮大時，截止頻率為0，高通濾波器通過所有從虛擬模型輸 出的力信號，低通濾波器阻斷所有從從邊傳輸來的力信號。這兩種情況都是極端情況，正常 情況下時延大于零，小于一個最大值Tm，根據(jù)實際應(yīng)用，Tm取值為10 20秒。仿真中設(shè)時 延為2秒。高通濾波器和低通濾波器的截止頻率都是通訊時延T (t)的函數(shù)，高通截止頻率 COH = kf/T(t)，低通截止頻率G^ = kf/T(t)，kf為濾波器的調(diào)節(jié)系數(shù)，根據(jù)本發(fā)明遙操作 系統(tǒng)的應(yīng)用場合不同，kf的取值范圍為(0，1000)。仿真中用理想濾波器對本發(fā)明的控制
方法進(jìn)行說明，理想低通濾波器的傳遞函數(shù)為&=\GLij(0)\eM^，其中昧(》1={J，
φ(ω) = - οω^Ο, ω為頻率變量，j為復(fù)數(shù)域變量。理想高通濾波器的傳遞函數(shù)為
G =MH,，其中丨=G⑷—產(chǎn)。廣為頻率變量，j為鍾域變量。
在實際應(yīng)用中，濾波器可以根跟實際情況選擇各種模型的濾波器，如Butterworth濾波器、 Chebyshev I濾波器、Chebyshev II濾波器、橢圓濾波器、Bessel濾波器等。具體步驟如下操作者1通過主機(jī)器人2產(chǎn)生主邊位置信號xm，主邊位置信號Xm進(jìn)入通訊時延環(huán) 節(jié)3，延時后形成從邊位置信號xs，從邊位置信號Xs再進(jìn)入從機(jī)器人4，作為從機(jī)器人4的輸 入，仿真中令從機(jī)器人模型為Λ + y + h，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)，仿真中令主機(jī)器人模型 為K + bJ + kmx，mm = 0. 6，bm = 0. 001，km = 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)。從機(jī)器人4輸出環(huán)境位置信號χε作用于環(huán) 境5，同時，環(huán)境5提供給從機(jī)器人4環(huán)境反作用力fe，即Λ + # + h，例如me = 0. 8，de =0. 02，ke = 0，從機(jī)器人4根據(jù)環(huán)境反作用力f；輸出從邊力信號fs，進(jìn)入通訊時延環(huán)節(jié)3進(jìn)行延遲后，輸出主邊力信號fm，主邊力信號fm再進(jìn)入低通濾波器8，輸出低頻力信號f-， 仿真中采用理想低通濾波器，Iga(M)I = U，，、 ， Λ ω為頻率變量，j為復(fù)數(shù) 附圖中圖2為低通濾波器響應(yīng)圖，圖3為高通濾波器響應(yīng)圖，低通濾波器將從邊傳 輸來的力信號進(jìn)行濾波處理，得到圖4中的低通濾波器輸出的力信號，即fmA，圖5為虛擬環(huán) 境輸出的力信號，即fv，高通濾波器將從邊傳輸來的力信號進(jìn)行濾波處理，得到圖6中的高 通濾波器輸出的力信號，即fv H，經(jīng)過低頻力信號與高頻力信號疊加后，最后得到新的主邊 力信號，即fmn，可以看到高頻力信號沒有時延。
權(quán)利要求
一種基于虛實力融合的遙操作機(jī)器人力覺臨場感實現(xiàn)方法，其特征在于，包括主機(jī)器人(2)，通訊時延環(huán)節(jié)(3)，從機(jī)器人(4)，環(huán)境(5)，虛擬環(huán)境(6)，高通濾波器(7)和低通濾波器(8)構(gòu)成，其中通訊時延環(huán)節(jié)(3)會對信號造成變化的時延，通過測量獲得時延量T(t)，時延量T(t)的值域為1～20，高通濾波器(7)和低通濾波器(8)的截止頻率都是通訊時延T(t)的函數(shù)且相等，高通濾波器的截止頻率為ωH＝kf/T(t)，低通濾波器的截止頻率為ωL＝kf/T(t)，kf為調(diào)節(jié)系數(shù)，取值范圍為0～1000，具體操作步驟如下操作者(1)通過主機(jī)器人(2)產(chǎn)生主邊位置信號xm，主邊位置信號xm進(jìn)入通訊時延環(huán)節(jié)(3)，通訊時延環(huán)節(jié)(3)對信號造成變化的時延，通過測量獲得時延量T(t)，主邊位置信號xm延時后形成從邊位置信號xs，從邊位置信號xs再進(jìn)入從機(jī)器人(4)，作為從機(jī)器人(4)的輸入，從機(jī)器人(4)輸出環(huán)境位置信號xe作用于環(huán)境(5)，同時，環(huán)境(5)提供給從機(jī)器人(4)環(huán)境反作用力fe，即 <mrow><msub> <mi>f</mi> <mi>e</mi></msub><mo>=</mo><msub> <mi>m</mi> <mi>e</mi></msub><msub> <mover><mi>x</mi><mrow> <mo>·</mo> <mo>·</mo></mrow> </mover> <mi>e</mi></msub><mo>+</mo><msub> <mi>d</mi> <mi>e</mi></msub><msub> <mover><mi>x</mi><mo>·</mo> </mover> <mi>e</mi></msub><mo>+</mo><msub> <mi>k</mi> <mi>e</mi></msub><msub> <mi>x</mi> <mi>e</mi></msub> </mrow>其中，me為環(huán)境的慣性系數(shù)，de為環(huán)境的阻尼系數(shù)，ke為環(huán)境的彈性系數(shù)，從機(jī)器人(4)根據(jù)環(huán)境反作用力fe輸出從邊力信號fs，再進(jìn)入通訊時延環(huán)節(jié)(3)，延遲后輸出主邊力信號fm，主邊力信號fm再進(jìn)入低通濾波器(8)，輸出低頻力信號fmwL，主邊位置信號xm的另一路進(jìn)入虛擬環(huán)境(6)，輸出虛擬力信號fv，虛擬環(huán)境(6)的模型為 <mrow><msub> <mi>f</mi> <mi>v</mi></msub><mo>=</mo><msub> <mi>m</mi> <mi>v</mi></msub><msub> <mover><mi>x</mi><mrow> <mo>·</mo> <mo>·</mo></mrow> </mover> <mi>m</mi></msub><mo>+</mo><msub> <mi>d</mi> <mi>v</mi></msub><msub> <mover><mi>x</mi><mo>·</mo> </mover> <mi>m</mi></msub><mo>+</mo><msub> <mi>k</mi> <mi>v</mi></msub><msub> <mi>x</mi> <mi>m</mi></msub> </mrow> <mrow><mo>=</mo><msub> <mi>f</mi> <mi>e</mi></msub><mo>+</mo><mi>η</mi> </mrow>其中，mv為虛擬環(huán)境的慣性系數(shù)，dv為虛擬環(huán)境的阻尼系數(shù)，kv為虛擬環(huán)境的彈性系數(shù)，η為虛擬環(huán)境模型與真實環(huán)境模型之間的誤差，該誤差與通訊時延環(huán)節(jié)的時延T(t)成反比，即η＝α·T(t)其中，α為誤差系數(shù)，取值范圍為0～20，虛擬力信號fv再進(jìn)入高通濾波器(7)進(jìn)行濾波處理，高通濾波器(7)輸出高頻力信號fvωH，此高頻力信號fvωH與低頻力信號fmwL進(jìn)行疊加，形成新的主邊力信號fmn，此新的主邊力信號fmn作用主機(jī)器人(2)，主機(jī)器人(2)再作用于操作者(1)，使操作者(1)獲得力覺臨場感。
全文摘要
一種基于虛實力融合的遙操作機(jī)器人力覺臨場感實現(xiàn)方法，操作者通過主機(jī)器人產(chǎn)生主邊位置信號xm，主邊位置信號xm進(jìn)入通訊時延環(huán)境，延時后形成從邊位置信號xs，從邊位置信號xs再進(jìn)入從機(jī)器人，作為從機(jī)器人的輸入。從機(jī)器人輸出環(huán)境位置信號xe作用于環(huán)境，同時，環(huán)境提供給從機(jī)器人環(huán)境反作用力fe，從機(jī)器人根據(jù)環(huán)境反作用力fe輸出從邊力信號fs，進(jìn)入通訊時延環(huán)節(jié)進(jìn)行延遲后，輸出主邊力信號fm，主邊力信號fm再進(jìn)入低通濾波器，輸出低頻力信號fmwL。主邊位置信號xm的另一路進(jìn)入虛擬環(huán)境，虛擬環(huán)境的模型為輸出虛擬力信號fv，虛擬力信號fv再進(jìn)入高通濾波器進(jìn)行處理，高通濾波器輸出高頻力信號fvωH。此高頻力信號fvωH與低頻力信號fmwL進(jìn)行疊加，形成新的主邊力信號fmn，此信號作用主機(jī)器人。
文檔編號G05B17/02GK101986219SQ20101026581
公開日2011年3月16日 申請日期2010年8月27日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月27日
發(fā)明者吳涓, 宋愛國, 崔建偉, 李新 申請人:東南大學(xué)