觸覺反饋裝置及其變阻尼控制方法和應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及觸覺反饋裝置及其控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 觸覺反饋技術(shù)自從二十世紀(jì)初產(chǎn)生以來一直是科研人員研究的熱點對象。在各種 主從操作或者遠(yuǎn)程操作應(yīng)用中都得到了廣泛應(yīng)用。
[0003] 在控制系統(tǒng)中，觸覺反饋裝置必須準(zhǔn)確地把觸覺反饋裝置的位姿傳遞給被操作 端，還需要在必要時降低被操作端的運動速度與距離，從而增加操作的穩(wěn)定性和減小風(fēng)險。 如在MicroHandA等手術(shù)機器人控制系統(tǒng)中引入了比例控制，它具有3 :1和5 :1兩種主從 映射比例，其中前者在常規(guī)操作下使用后者在精細(xì)操作下使用。該種控制方法雖然能夠規(guī) 避風(fēng)險，但是不能解決操作時輕微抖動造成的細(xì)微影響，且當(dāng)操作者由于失誤等原因造成 較大速度與位移的行為（"過操作"）并沒有進行風(fēng)險控制，其只能減小過操作的程度，而不 能阻止和調(diào)整這種過操作行為。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于提供一種觸覺反饋裝置及其變阻尼控制方法及應(yīng)用，以防范過 操作帶來的風(fēng)險。
[0005] -種觸覺反饋裝置包括控制設(shè)定輸入端，控制器、具有η個關(guān)節(jié)的機械臂，每個所 述關(guān)節(jié)設(shè)有電機，所述電機分別與控制器耦接，
[0006] 所述控制器接收從所述控制設(shè)定輸入端設(shè)定的笛卡爾空間的阻尼系數(shù)Cx，Cy，Cz， Cex，Cey，Cez，其中Cx，Cy，Cz分別是笛卡爾空間中X軸、Y軸、Z軸的直線方向的阻尼系數(shù)， Cex，Cey，(：02繞笛卡爾空間中X軸、Y軸、Z軸的旋轉(zhuǎn)方向的阻尼系數(shù)；
[0007] 所述控制器根據(jù)所述笛卡爾空間的阻尼系數(shù)計算出各關(guān)節(jié)的阻尼力矩τ=1 至IJη的整數(shù)）；
[0008] 所述控制器根據(jù)所述各關(guān)節(jié)的阻尼力矩，各關(guān)節(jié)的摩擦補償力矩和各關(guān)節(jié)的重力 補償力矩得到各個關(guān)節(jié)處的合力矩τ，從而得到合力矩矩陣；
[0009] 所述控制器控制每個電機根據(jù)合力矩矩陣輸出驅(qū)動力矩，驅(qū)動電機所連接的關(guān) To
[0010] 所述的觸覺反饋裝置的是實施例中，所述笛卡爾空間的阻尼系數(shù)
以使所述機械臂的阻尼在笛卡爾空間中各向同性。
[0011] 所述的觸覺反饋裝置的是實施例中，各所述的關(guān)節(jié)還設(shè)置有位置傳感器，所述位 置傳感器用于檢測相連的關(guān)節(jié)在關(guān)節(jié)空間中的關(guān)節(jié)速度U斤述控制器根據(jù)所述關(guān)節(jié)速度 漢，并由以下公式獲得各關(guān)節(jié)的阻尼力矩τι:
[0013]
，其中，Ti是第i關(guān)節(jié)的阻尼力矩，i是1到η的整數(shù)，J是該觸覺反 饋裝置的雅克比矩陣，/是該觸覺反饋裝置的雅克比矩陣的轉(zhuǎn)置矩陣，F(xiàn)x、Fy、Fz、Nx、Ny、Nz* 別為笛卡爾空間中的相對于X軸、Y軸、Z軸的平移力和旋轉(zhuǎn)力，VX，Vy，Vz分別是笛卡爾空間 X軸、Y軸、Z軸方向的線速度，ωχ，coy，〇^是笛卡爾空間中相對于X軸、Y軸、Z軸的旋轉(zhuǎn)角 速度。
[0014] 所述的觸覺反饋裝置的是實施例中，所述控制設(shè)定輸入端包括多個預(yù)設(shè)輸入單 元，每個輸入單元對應(yīng)一個預(yù)設(shè)在控制器中的笛卡爾空間的阻尼系數(shù)，以適配所述電機輸 出不同的驅(qū)動力矩。
[0015] 所述觸覺反饋裝置在手術(shù)機器人醫(yī)生端的主操作手上的應(yīng)用。
[0016] -種用于任一所述的觸覺反饋裝置的變阻尼控制方法，該方法包括：
[0017] (1)通過所述控制設(shè)定輸入端設(shè)定笛卡爾空間的阻尼系數(shù)cx，cy，cz，cex，cey，cez;
[0018] (2)所述控制器接收從所述控制設(shè)定輸入端設(shè)定的笛卡爾空間的阻尼系數(shù) (：)!，(^，(；，(： ())!，(：(^，(：()2，并據(jù)此計算出各關(guān)節(jié)的阻尼力矩1^(1 = 1···]!);
[0019] (3)所述控制器，根據(jù)所述各關(guān)節(jié)的阻尼力矩τi，各關(guān)節(jié)的摩擦補償力矩τf和各 關(guān)節(jié)的重力補償力矩，得到各個關(guān)節(jié)處的合力矩τ，從而得到合力矩矩陣；
[0020] (4)所述控制器控制每個電機根據(jù)合力矩矩陣輸出驅(qū)動力矩，驅(qū)動電機所連接的 夫。
[0021] 所述的變阻尼控制方法的實施例中，所述笛卡爾空間的阻尼系數(shù)
[0023] 所述的變阻尼控制方法的實施例中，各關(guān)節(jié)中位置傳感器檢測各關(guān)節(jié)在各關(guān)節(jié) 空間中的關(guān)節(jié)速度&，所述控制器根據(jù)所述關(guān)節(jié)速度A,由以下公式獲得各關(guān)節(jié)的阻尼力 矩：
[0025]
:其中，^是第i關(guān)節(jié)的阻尼力矩，i是1到n的整數(shù)，J是該觸覺反 饋裝置的雅克比矩陣，/是該觸覺反饋裝置的雅克比矩陣的轉(zhuǎn)置矩陣，F(xiàn)x、Fy、Fz、Nx、Ny、Nz* 別為笛卡爾空間中的相對于X軸、Y軸、Z軸的平移力和旋轉(zhuǎn)力，VX，Vy，Vz分別是笛卡爾空間 X軸、Y軸、Z軸方向的線速度，ωχ，coy，〇^是笛卡爾空間中相對于X軸、Y軸、Z軸的旋轉(zhuǎn)角 速度。
[0026] 所述的變阻尼控制方法的實施例中，通過所述控制設(shè)定輸入端選擇預(yù)設(shè)的阻尼系 數(shù)，以設(shè)定所述笛卡爾空間的阻尼系數(shù)。
[0027] 在本發(fā)明的實施例中，操作者通過對觸覺反饋裝置的操作臂施加操作力矩來克服 電機產(chǎn)生的阻尼力矩使得操作臂產(chǎn)生運動，由于電機提供的阻尼的存在，因此可以把操作 速度控制在一定范圍內(nèi)，防止過操作，也能防止輕微抖動造成的不利影響，從而確保操作安 全。
【附圖說明】
[0028] 本發(fā)明的上述的以及其他的特征、性質(zhì)和優(yōu)勢將通過下面結(jié)合附圖和實施例的描 述而變得更加明顯，其中：
[0029]圖1為本發(fā)明一實施例中觸覺反饋裝置的機構(gòu)原理示意圖；
[0030]圖2為本發(fā)明一實施例中用于觸覺反饋裝置的控制方法的流程圖；
[0031] 圖3為本發(fā)明一實施例中變阻尼控制方法的方塊圖；
[0032]圖4為本發(fā)明一實施例中力矩與速度的變化曲線圖。
【具體實施方式】
[0033] 下面結(jié)合具體實施例和附圖對本發(fā)明作進一步說明，在以下的描述中闡述了更多 的細(xì)節(jié)以便于充分理解本發(fā)明，但是本發(fā)明顯然能夠以多種不同于此描述的其它方式來實 施，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在不違背本發(fā)明內(nèi)涵的情況下根據(jù)實際應(yīng)用情況作類似推廣、演 繹，因此不應(yīng)以此具體實施例的內(nèi)容限制本發(fā)明的保護范圍。
[0034] 如圖1所示，在本發(fā)明一實施例中，觸覺反饋裝置是具有6個關(guān)節(jié)的機械臂，其包 括基座1，關(guān)節(jié)10、11、12、13、14、15,以及關(guān)節(jié)10、11、12、13、14、15連接的連桿，還包括操作 端16即末端，實際操作時操作者控制觸覺反饋裝置操作端，對6個自由度的機械臂進行操 作。在本發(fā)明的其他實施例中，機械臂的關(guān)節(jié)或自由度不限于為6個。
[0035] 根據(jù)本發(fā)明的用于觸覺反饋裝置的變阻尼控制方法包括以下步驟：
[0036] 設(shè)定笛卡爾空間的阻尼系數(shù)(；，(；，(；，(：0：!，(^，(^，其中(；，(；，(；分別是笛卡爾空 間中X軸、Y軸、Z軸的直線方向的阻尼系數(shù)，Cex，Cey，(：02繞笛卡爾空間中X軸、Y軸、Z軸 的旋轉(zhuǎn)方向的阻尼系數(shù)；
[0037] 計算出各關(guān)節(jié)處的阻尼力矩τyi=1至6的整數(shù)，阻尼力矩的大小不僅和阻尼 系數(shù)相關(guān)還與操作速度有關(guān)系，其按照公式％ = * 6；來表達(dá)，其中(^為該關(guān)節(jié)在關(guān)節(jié) 空間的阻尼系數(shù)，$為該關(guān)節(jié)處的轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速越大，阻尼力矩越大，阻尼系數(shù)越大，阻力力矩 也越大；
[0038]關(guān)節(jié)空間的電機輸出力矩是由重力補償力矩、摩擦力矩、阻尼力矩等組成的合力 矩，其可以通過下述公式來表示：
[0039] τf+τG+τi=τ
[0040] 因此，加上各關(guān)節(jié)的摩擦補償力矩和各關(guān)節(jié)的重力補償力矩，得到各個關(guān)節(jié)處的 合力矩τ，從而得到一個合力矩矩陣，本發(fā)明對重力補償力矩、摩擦力矩的獲取方法沒有特 別的限制，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)知悉；
[0041] 最后，控制器控制各關(guān)節(jié)處的電機根據(jù)合力矩矩陣輸出所需要的驅(qū)動力矩。
[0042]當(dāng)操作速度增大的時候其也能夠增大阻尼力矩，這個特性對于觸覺反饋裝置操作 來說是有益的，這樣能防止操作過程中由于操作失誤等原因?qū)е虏僮魉俣韧蝗辉龃蠖黾?風(fēng)險，根據(jù)上述速度與阻尼力矩的特性可以防止危險的發(fā)生，及時地調(diào)整操作速度。
[0043]根據(jù)本發(fā)明的方法，觸覺反饋裝置的使用流程如下，首先為包括該觸覺反饋裝置 的機器人整機開機完成初始化，操作者根據(jù)實際需要選擇主從機器人系統(tǒng)的控制模式，選 擇方法可以使用腳踏、控制面板和操作手開關(guān)等設(shè)定方法。操作者通過對操作端施加操作 力矩來克服阻尼力矩使得機械臂產(chǎn)生運動，該阻尼力矩由各關(guān)節(jié)的電機提供，由于阻尼的 存在，因此可以把操作速度控制在一定范圍內(nèi)