CN103869773A - 基于主端机的力反馈控制器校正反馈力的方法 - Google Patents

基于主端机的力反馈控制器校正反馈力的方法 Download PDF

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胡凌燕
辛勇
邹艳妮
徐少平
刘小平
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Abstract

本发明公开一种基于主端机的力反馈控制器校正反馈力的方法，旨在解决反馈到主端机滞后的力反馈使主端机产生不正确运动，造成主从遥操作***不稳定的技术问题，本方法在于不需要测量和估算操作者施加的力，仅需要确定传递到主端机上的从端机器人与环境交互作用力，和主端机器人的运动速度即可能够提高遥操作稳定的同时，提高主从遥操作***的透明性。

Description

基于主端机的力反馈控制器校正反馈力的方法
技术领域
本发明涉及远程主从遥操作***操作机器人控制技术领域，尤其涉及有时延和力反馈的主从遥操作***主从机器人控制技术中基于主端机的力反馈控制器校正反馈力的方法。
背景技术
主从遥操作***的工作模式是可以将人手延伸到人类很难到达或是对人有害的环境中去执行任务。主从遥操作***即在主端机操作者操作主端机处的机器人进行一个动作，在远处任务现场从端机处的机器人跟随主端机处的机器人进行相同的动作，并与任务现场的环境接触，为了使操作者有身临其境的感觉，需要将从端机处的机器人与环境交互的信息传递到主端机上，让操作者感知到。如果从端机处的机器人与主端机处的机器人速度及受到的反馈力是完全一样的，则相应的遥操作是透明的。由于主从遥操作***操作机器人之间通过网络连接，其间的数据通信存在有一定的时延。这种时延会引起带力反馈的主从遥操作***不稳定。
在实际应用过程中，尤其是从端机器人在水下作业或从端机器人与环境交互时，从端机处的机器人受到的作用力通常是阻碍其运动的。如果主从遥操作***完全透明，主端机与从端机各处的机器人的运动和受到作用力与从端机处的机器人完全一致，因此传递到主端机的作用力与其处的机器人的运动方向也相反。但在实际应用中由于网络数据传输存在时延，传递到主端机处的机器人上的作用力可能不是阻碍其运动，而与其运动方向相同，这样就使本来是负反馈的控制变成正反馈，造成整个遥操作***的不稳定。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，适应现实需要，提供一种基于主端机的力反馈控制器校正反馈力的方法，旨在解决反馈到主端机滞后的反馈力致使主端机产生不正确运动，造成主从遥操作***不稳定的技术问题。
为了实现本发明的目的，本发明采用的技术方案为：
设计一种基于主端机的力反馈控制器校正反馈力的方法，所述力反馈控制器进行力反馈的校正包括如下步骤：设定v m 为主端机检测到的主端机器人的速度，                                                为从端机传递到主端机的作用力；
①   力反馈控制器接收主端机器人的速度信号v m 及从端机传递到主端机的作用力信号
Figure 985963DEST_PATH_IMAGE001
；
②   力反馈控制器判断接收到的传递到主端机的作用力和主端机器人的速度v m 一致时，力反馈控制器将作用力
Figure 426619DEST_PATH_IMAGE001
过滤掉；不一致时进行步骤③；
③   力反馈控制器判断接收到的传递到主端机的作用力
Figure 336807DEST_PATH_IMAGE001
和主端机器人的速度v m 不一致时，力反馈控制器将作用力
Figure 262037DEST_PATH_IMAGE001
保持不变输出。
所述步骤②、③相应的力反馈控制器按下式执行：。
本发明的有益效果在于：
本发明在主从遥操作***的主端机上设计一个力反馈控制器，它根据主端机反馈的运动方向和从端机反馈到其上的作用力方向判断引起***不稳定的反馈力是否需要过滤当前时刻的反馈力；其的优点在于不需要测量和估算操作者施加的力，仅需要确定传递到主端机的作用力和主端机的运动速度即可。在实际应用中本发明的力反馈控制方法很容易实现，且能够在保证***稳定的同时，提高主从遥操作***的透明性；而且解决了有时延条件下主从遥操作***中由于反馈力引起的***不稳定问题，在提高主从遥操作***稳定性的同时，改善了主从遥操作***的透明性。且能应用于在任意时延下的主从遥操作***操作机器人与环境接触时的控制，包括地面精确实时遥控太空或深海的机器人或机器臂完成异物清除，设备修理等操作。
附图说明
图1为基于本力反馈控制器的校正方法所设计的主从遥操作***示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：
实施例：一种基于主端机的力反馈控制器校正反馈力的方法；该方法应用于的主端机包括主端机器人、主端机器人内部的主端控制计算机及力反馈控制器；从端机包括从端机器人、从端机器人内部的从端控制计算机及从端速度跟踪控制器；主端机与从端机建立网络通信。
所述力反馈控制器进行力反馈的校正包括如下步骤：设定v m 为主端机检测到的主端机器人的速度，
Figure 79001DEST_PATH_IMAGE001
为从端机传递到主端机的作用力；
①力反馈控制器接收主端机器人的速度信号v m 及从端机传递到主端机的作用力信号
Figure 645242DEST_PATH_IMAGE001
；
②   力反馈控制器判断接收到的传递到主端机的作用力
Figure 57769DEST_PATH_IMAGE001
和主端机器人的速度v m 一致时，力反馈控制器将作用力
Figure 616926DEST_PATH_IMAGE001
过滤掉；不一致时进行步骤③；
③   力反馈控制器判断接收到的传递到主端机的作用力
Figure 798509DEST_PATH_IMAGE001
和主端机器人的速度v m 不一致时，力反馈控制器将作用力
Figure 519340DEST_PATH_IMAGE001
保持不变输出。
所述步骤②、③相应的力反馈控制器按下式执行：
Figure 419163DEST_PATH_IMAGE002
。
本实施例将对以上内容详细说明如下：
在主端机，主端机器人在人的操作下进行一定的运动。主端机器人的运动速度及位移通过通信网络传递到从端机器人上，作为从端机器人的速度命令信号，从端机器人在速度控制器的作用下按照期望的轨迹与环境交互。从端机器人与环境交互力通过通信网络传递到主端机上，并使操作者能感觉到。
本发明实施例将以主从遥操作***操作机械臂控制机构进行说明，包括主端机机械臂，从端机机械臂。各机械臂之间通过通信网络连接起来。相应的网络通信时延为T。在主端机操作者操作机械臂打磨一个表面。在远处任务现场端从端机机械臂跟随主端机处的机械臂进行打磨，并将与物体表面之间的作用力反馈到主端机处的操作者手上，使操作者能感觉到打磨力，以正确的操作施加力，以免用力过大将物体弄破，或用力过小没打磨到。由于主从遥操作***中主端机与从端机之间通过通信网络连接，其间的数据通信存在时延T。设定vm，vsc，vs分别是主端机的速度、从端机的期望速度、从端机的实际速度；
Figure 516432DEST_PATH_IMAGE001
，
Figure 2014100759869100002DEST_PATH_IMAGE003
，
Figure 99992DEST_PATH_IMAGE004
，
Figure 2014100759869100002DEST_PATH_IMAGE005
分别是传递到主端机的作用力、力反馈控制器输出的作用力、操作者施加的力以及作用在主端机上的力；
Figure 726145DEST_PATH_IMAGE006
是从端的控制力。T是指数据在主端机、从端机之间的传输时延。即主端机的机械臂速度与从端机的机械臂作用力之间关系如下公式所示：
Figure 2014100759869100002DEST_PATH_IMAGE007
Figure 910002DEST_PATH_IMAGE008
Figure 2014100759869100002DEST_PATH_IMAGE009
具体力反馈控制器的算法如下：当传递到主端机的作用力
Figure 101641DEST_PATH_IMAGE001
和主端机处运动方向v m 一致时，相应的作用力
Figure 992237DEST_PATH_IMAGE001
会引起***不稳定，则这个作用力
Figure 320450DEST_PATH_IMAGE001
被过滤掉；当传递到主端机上的作用力
Figure 460445DEST_PATH_IMAGE001
和主端机运动方向v m 相反时，这个作用力是正确的，保持不变。相应力反馈控制器的可以按式
Figure 175777DEST_PATH_IMAGE002
 
来执行；实际实验证明在这个力反馈控制器作用下，传递到主端机上引起***不稳定的作用力
Figure 143733DEST_PATH_IMAGE001
被过滤掉，因此，***的透明性得到了改善，同时***的稳定性也明显得到提高。
本发明的特点在于：在于不需要测量和估算操作者施加的力，力反馈控制器的输入信号为主端机本地信号：传递到主端机的作用力
Figure 521756DEST_PATH_IMAGE001
和主端机的运动速度v m ，易于实现。该控制器能够提高该***的透明性和同时改善***的稳定性。
本发明的实施例公布的是较佳的实施例，但并不局限于此，本领域的普通技术人员，极易根据上述实施例，领会本发明的精神，并做出不同的引申和变化，但只要不脱离本发明的精神，都在本发明的保护范围内。

Claims (2)

1.一种基于主端机的力反馈控制器校正反馈力的方法，其特征在于：所述力反馈控制器进行反馈力的校正包括如下步骤：设定v m 为主端机检测到的主端机器人的速度，                                               
Figure 2014100759869100001DEST_PATH_IMAGE002
为从端机传递到主端机的作用力；
力反馈控制器接收主端机器人的速度信号v m 及从端机传递到主端机的作用力信号；
力反馈控制器判断接收到的传递到主端机的作用力
Figure 806221DEST_PATH_IMAGE002
和主端机器人的速度v m 一致时，力反馈控制器将作用力
Figure 117116DEST_PATH_IMAGE002
过滤掉；不一致时进行步骤③；
力反馈控制器判断接收到的传递到主端机的作用力
Figure 512326DEST_PATH_IMAGE002
和主端机器人的速度v m 不一致时，力反馈控制器将作用力
Figure 608589DEST_PATH_IMAGE002
保持不变输出。
2.如权利要求1所述的基于主端机的力反馈控制器校正反馈力的方法，其特征是：所述步骤②、③相应的力反馈控制器按下式执行：
Figure 2014100759869100001DEST_PATH_IMAGE004
。
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