CN112077816B - 遥操作设备力反馈功能的测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种遥操作设备力反馈功能的测试装置及方法，包括主手设备力反馈测试标定平台和从手设备力感知测试标定平台，以及主手性能测试标定方法、从手性能测试标定方法和主从手联机测试方法。所述主手设备力反馈测试标定平台包括主手平台底座、主手六维力传感器、主手传感器紧固连接法兰、主手传感器输入法兰、手动滑台、滑台支架、主手手柄抱箍；所述主手六维力传感器通过主手传感器输入法兰与主手手柄抱箍连接。所述从手设备力感知测试标定平台包括从手平台底座、从手六维力传感器、从手操作对象；从手六维力传感器固定于从手平台底座上，其输入端通过传感器连接法兰固定有从手操作对象。本发明实现了对力反馈的闭环控制性能测试。

Description

遥操作设备力反馈功能的测试装置及方法

技术领域

本发明涉及一种力反馈技术领域，具体地，涉及一种遥操作设备力反馈功能的测试装置及方法，尤其涉及一种主从式遥操作设备力反馈功能的测试平台及测试方法。

背景技术

遥操作技术是指操作者操纵远端机器设备进行作业的技术。其基本原理是操作者直接操纵主端设备(也称主手)运动，控制器将主端设备的运动信息通过无线或有线的通信方式发送给从端设备(也称从手)，从端设备通过对主端设备的同步跟随运动来完成远端的作业任务。从端设备所在作业环境一般有视觉信息反馈到操作者，而在很多情况下，力觉和触觉也是非常重要的，尤其是精细作业的应用场景如微创手术机器人。设备与环境之间的力/触觉信息反馈到操作者一端，通过主端设备使操作者直接感受到从端设备与环境对象的受力交互情况，结合操作者自身的经验判断完成精细的作业。这其中最核心的技术，即让操作者真实准确且实时地获取从端设备与环境交互的力觉信息，被称为力反馈技术。

力反馈技术与视觉、听觉等技术相结合，使得操作者可以获得更加真实、丰富的临场感体验，帮助操作者遥控从端设备完成更加精细的工作。在理想情况下，力反馈技术能够让操作者体验到直接触碰、推拉、挤压和握持远端环境物体的感觉，达到身临其境的感觉。

在实际应用中，主手和从手一般是异构的，从手端的力传感器如何检测力信号，如何映射变换成为主手的动作，这其中各环节的静态特性和动态特性是决定力反馈性能的关键因素，也是设计和改进遥操作运动控制算法的依据。

目前国内针对力反馈遥操作装置的测试标定装置及标定方法的研究往往仅限于主手设备的标定，结合从手设备的标定研究相对较少。

专利文献CN103753519A公开了一种针对三自由度力反馈手控器的标定方法的平台机构，可实现对特定自制主手设备的测试标定，但其三自由度机构结构复杂、稳定性差，影响标定精度，且其通用性差，不能对市面上广泛应用的力反馈设备进行标定，同时未提供对应从手设备的标定装置及方法。专利文献CN109632173A公开了一种多自由度力反馈设备末端三维力精度的标定装置，可以实现对三维力反馈设备的测试标定，但该装置只针对三维力反馈设备进行标定，不适用六维设备，且该装置采用六个力传感器分别采集数据，彼此耦合，精度难以保证，且设计成本较高、测试过程复杂，同时也未提供对应从手设备的标定装置及方法。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种遥操作设备力反馈功能的测试装置及方法。

根据本发明提供的一种主从式遥操作设备力反馈功能的测试平台及测试方法，包括主手设备力反馈测试标定平台和从手设备力感知测试标定平台，以及主手性能测试方法、从手性能测试方法和主从手联机测试方法。

所述主手设备力反馈测试标定平台，其功能是对主手设备实施测试和标定，所述主手设备可以是各种自研设备或者现有带有力反馈功能的遥操作输入设备。包括主手平台底座1、主手六维力传感器4、主手传感器紧固连接法兰41、主手传感器输入法兰42、手动滑台3、滑台支架2、主手手柄抱箍5；所述主手平台底座1面板上布满定位孔网格，用于调整滑台支架2的位置并固定不同的主手设备；所述滑台支架2呈倒“T”字型，由底部四个螺纹孔通过螺栓固定于主手平台底座1上，通过选择不同的定位孔可以改变测试位置和姿态；所述手动滑台3包括滑台底座35、导向轴34、螺杆33、旋钮32、滑块31；所述滑台底座35呈竖直方向固定于滑台支架2上；所述滑块31与螺杆33通过螺纹方式连接，螺杆33的转动带动滑块31做直线运动；所述导向轴34平均分布于螺杆33两侧并与滑块31固定，保证滑块31沿螺杆33做轴向直线运动；所述旋钮32固定于螺杆33顶部，螺杆33的转动可通过手动旋转旋钮32实现，两者呈同轴配合；所述六维力传感器4通过主手传感器紧固连接法兰41固定于手动滑台3中的滑块31上，其高度的变化调节通过旋动旋钮32带动滑块31做直线运动来实现；所述主手六维力传感器4的输入端通过主手传感器输入法兰42连接主手手柄抱箍5；所述主手手柄抱箍5用于夹紧主手操作手柄。

所述主手设备力反馈测试标定方法，对主手端操纵设备的力反馈功能进行测试和标定。将主手操纵端按照前述方式固定在所述主手力反馈测试标定平台上，由主手设备控制器向主手操纵机构发送力反馈指令，即出力信号。所述出力信号是方向和大小不同的力/力矩信号。同步记录主手六维力传感器4在其自身坐标系下x、y、z轴三个方向上感知到的力/力矩数据。通过主手自身坐标系与主手六维力传感器4自身坐标系的变换关系，将主手六维力传感器4采集到的力/力矩信号与力反馈指令信号转换到同一坐标系下(一般就取主手坐标系)，对主手设备的力反馈性能进行综合评价和参数标定。具体可包括力反馈机构的量程、精度、灵敏度、线性度、正交度、死区、回差、延时等性能参数，以及各参数在手柄处于不同位置时的变化情况。

所述从手设备力感知测试标定平台，其功能是对从手设备的力/力矩检测功能实施测试和标定，主要是力传感器性能及其安装方式对测力效果的影响。检测的所述从手设备可以是各种自研设备或者现有能独立完成目标任务的自动化执行机构，如机器人等。所述从手力反馈设备测试标定平台包括从手平台底座6、从手六维力传感器7、从手传感器输入法兰71、从手操作对象8。所述从手六维力传感器7固定于从手平台底座6上，从手六维力传感器7上安装有从手传感器输入法兰71，其上固定有从手操作对象8，固定方式均采用螺纹连接，方便拆装。所述从手操作对象8是模拟实际的***作对象或者环境而制作的模型，根据从手的用途不同而不同，例如在手术机器人遥操作应用中，从手操作对象8可以是硅胶器官模型，甚至是真实的动物组织器官等。

所述从手设备力感知测试标定方法，对从手端设备的力感知性能进行测试和标定。将所述从手设备力感知测试标定平台按照前述方式固定在从手工作区域内，由从手控制器控制向从手末端执行器发送指令，对从手操作对象8完成碰触、推拉等动作，同步记录从手设备自身的力传感器所感知到的力/力矩数据，以及从手六维力传感器7在其自身坐标系下x、y、z轴三个方向上感知到的力/力矩数据。通过从手设备自身坐标系与从手六维力传感器7自身坐标系的变换关系，将从手六维力传感器7采集到的力/力矩信号与从手自身力感知信号转换到同一坐标系下(一般就取测试平台所在坐标系)，对从手设备的力感知性能进行综合评价和参数标定。具体可包括力感知设备的量程、精度、灵敏度、线性度、正交度、死区、回差、延时等等性能参数，以及各参数在从手处于不同姿态时的变化情况。

所述主从手联机测试方法，对主从式遥操作设备的力反馈功能进行完整的性能测试。主手端设备和从手端设备各自完成标定后，连接形成完整的遥操作闭环***，即从手端的力感知信号反馈到主手端的执行机构，形成力/力矩输出。其中主手操纵端按照前述方式固定在所述主手力反馈测试标定平台上，从手设备力感知测试标定平台按照前述方式固定在从手工作区域内。通过从手控制器向从手末端执行器发送指令，对从手操作对象8完成碰触、推拉等动作，同步记录从手六维力传感器7和主手六维力传感器4在其自身坐标系下x、y、z轴三个方向上感知到的力/力矩数据。将两者转换到同一坐标系下(一般就取从手设备力感知测试标定平台所在的坐标系)，对整个主从遥操作设备的力感知-力复现的过程进行综合性能评价和参数标定。在前述独立的主手力反馈执行性能测试、标定以及从手力感知性能测试、标定的基础上，主要对力反馈算法的坐标变换正确性、滤波能力、修正补偿能力、延时等指标进行检测。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明既能实现对主手设备力反馈的标定，又可实现对从手设备力感知的标定，还可以完成主从手联机测试，在遥操作应用领域实现了对力反馈的闭环控制性能测试。

2、本发明采用的六维力传感器，测试精度高，且对三维力反馈设备和六维设备均适用，应用范围广；

3、本发明中，主从手测试标定平台各只需一个传感器，结构简单、设计成本低、操作过程简单。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明中主手设备力反馈测试标定平台的整体结构示意图。

图2为本发明中主手设备力反馈测试标定平台的***示意图。

图3为本发明中以Omega.7为主手的实施例的主手设备力反馈测试标定平台的示意图。

图4为本发明中从手设备力感知测试标定平台的整体结构示意图。

图5为本发明中从手设备力感知测试标定平台的***示意图。

图6为本发明中以Robotiq二指夹持器作为末端执行器的实施例的从手设备力感知测试标定平台的示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

图1、2所示分别为主手设备力反馈测试标定平台的整体结构示意图和***视图。包括主手平台底座1、主手六维力传感器4、主手传感器紧固连接法兰41、主手传感器输入法兰42、手动滑台3、滑台支架2、主手手柄抱箍5；所述主手平台底座1面板上布满定位孔网格，用于调整滑台支架2的位置并固定不同的主手设备；所述滑台支架2呈倒“T”型，由底部四个螺纹孔通过螺栓固定于主手平台底座1上；所述手动滑台3包括滑台底座35、导向轴34、螺杆33、旋钮32、滑块31；所述滑台底座35呈竖直方向固定于滑台支架2上；所述滑块31与螺杆33通过螺纹方式连接，螺杆33的转动带动滑块31做直线运动；所述导向轴34平均分布于螺杆33两侧并与滑块31固定，保证滑块31沿螺杆33做轴向直线运动；所述旋钮32固定于螺杆33顶部，螺杆33的转动可通过手动旋转旋钮32实现，两者呈同轴配合；所述主手六维力传感器4通过主手传感器紧固连接法兰41固定于手动滑台3中的滑块31上，其高度通过旋动旋钮32带动滑块31做直线运动来实现；所述主手六维力传感器4的输入端通过主手传感器输入法兰42连接主手手柄抱箍5；所述主手手柄抱箍5用于夹紧主手操作手柄。

图3为安装主手设备后的主手设备力反馈测试标定平台的整体结构示意图。本实施例中以瑞士Force Dimens ion公司的Omega.7作为主手设备，其它自研设备或者现有带有力反馈功能的遥操作输入设备均适用于此平台，不同形状大小的主手设备均可通过主手平台底座1中的定位孔来固定。

下文结合附图及具体实施例对本发明中的主手设备力反馈测试标定方法实施例进行详细描述。主手的测试标定过程分为静态特性标定和动态特性标定。其中静态特性标定可检测主手设备本身的指向精度、分辨率、灵敏度、死区、重复精度、线性度等基本性能指标；动态特性标定可检测***的指令延时和主手的机械延时。

如图3所示，将Omega.7手柄固定在主手六维力传感器4工具端测点上，即主手手柄抱箍5夹紧主手操作手柄。

(1)主手设备静态测试标定方法：

通过Omega.7主手控制器(计算机)对其在自身坐标系下x、y、z轴三个方向上分别发送力控指令，其中包含单方向上的单调递增/递减指令，以及三个方向上的随机数指令；同步记录主手六维力传感器4在其自身坐标系下x、y、z轴三个方向上感知到的力信息；根据采集到的原始数据，通过最优化方法进行参数辨识，计算Omega.7主手相对于固定台架的坐标变换矩阵，并在此基础上对***精度进行综合评价。

在Omega.7处于全重力补偿情况下将其手柄移动到至合适的位置(不触碰任何物体)，对Omega.7发送各坐标方向的力控指令，逐级增大控制力，观察Omega.7在多大的力控指令时可以克服死区开始移动。

(2)主手设备动态测试标定方法：

设置六维力传感器4采样频率大于100Hz，通过Omega.7主手控制器(计算机)对Omega.7主手在其坐标系下x、y、z轴三个方向上分别发送正弦波、方波、锯齿波等波形的力信号。同步记录六轴力传感器4在其自身坐标系下x、y、z轴三个方向上感知到的力信息，通过静态测试标定中所获得的主手坐标系与主手六维力传感器4坐标系之间的基础变换关系，将采集到的六维力传感器4上的数据转换到Omega.7主手坐标系下，分析***的指令延时和Omega.7主手的机械延时情况，以及在不同频率下的响应能力、衰减情况等。

图4、5分别为从手设备力感知测试标定平台的示意图和***视图。包括从手平台底座6、从手六维力传感器7、从手传感器输入法兰71、从手操作对象8；所述从手六维力传感器7固定于从手平台底座6上，从手六维力传感器7的输入端通过从手传感器输入法兰71固定从手操作对象8，固定方式均采用螺纹连接，方便拆装；所述从手操作对象8是模拟实际的***作对象或者环境而制作的模型，根据从手的用途不同而不同，例如在手术机器人遥操作应用中，从手操作对象8可以是硅胶器官模型，甚至是真实的动物组织器官等；所述从手设备在本实例中以德国Franka Emika公司的Panda机械臂为例，机械臂末端执行器以加拿大Robotiq二指夹持器为例，其它同类从手设备及末端执行器同样适用于此平台。

下文结合附图及具体实施例对本发明中的从手设备力感知测试标定方法实施例进行详细描述。

将从手设备力感知测试标定平台固定在从手工作区域内，在机械臂腕部安装传感器用于检测末端执行器信息，将Robotiq二指夹持器安装在传感器工具端。由从手控制器控制向从手末端执行器发送指令，使Robotiq二指夹持器夹取一定质量的重物，将Franka从手调整到7种不同姿态，读取机械臂腕部六维力传感器原始数据与反馈到Omega.7主手上的力信息，检测Z轴方向上实际从手设备末端执行器与外部的接触力反馈到主手上的精度。

将从手操作对象8固定于从手六维力传感器7上。由从手控制器控制向从手末端执行器发送指令，使Robotiq二指夹持器对从手操作对象8向各个方向触碰、推拉，对比两传感器受力大小和方向。对比数据一方是从手六维力传感器7上的读数，另一方是从手腕部传感器信号经过解耦和滤波后的数据。通过从手设备自身坐标系与从手六维力传感器7自身坐标系的变换关系，将从手六维力传感器7采集到的力信号与从手自身力感知信号转换到同一坐标系下(取测试平台所在坐标系)，对从手设备力感知精度、灵敏度、线性度、正交度、死区、回差、延时等性能参数进行综合评价和标定。测试过程中控制器控制从手以不同的末端姿态进行，以验证解耦和补偿算法的正确性。

下文结合附图及具体实施例对本发明中的主从手联机测试方法实施例进行详细描述。

Omega.7主手设备和Franka从手设备各自完成标定后，连接形成完整的遥操作闭环***，即从手端的力感知信号反馈到主手端的执行机构，形成力输出。其中主手操纵端按照前述方式固定在所述主手力反馈测试标定平台上，从手设备力感知测试标定平台按照前述方式固定在从手工作区域内。由Franka机械臂的控制器控制Franka从手以及末端执行器Robotiq二指夹持器的运动，对从手操作对象8完成碰触、推拉等动作，同步记录从手六维力传感器7和主手六维力传感器4在其自身坐标系下x、y、z轴三个方向上感知到的力数据。将两者转换到同一坐标系下(取对象平台所在坐标系)，对整个主从遥操作设备的力感知-力复现的过程进行综合性能评价和标定，对力反馈算法的坐标变换正确性、滤波能力、修正补偿能力、延时等指标进行检测。

本发明公开了一种遥操作设备力反馈功能的测试平台及测试方法，包括主手设备力反馈测试标定平台和从手设备力感知测试标定平台，以及主手性能测试标定方法、从手性能测试标定方法和主从手联机测试方法。所述主手设备力反馈测试标定平台，包括主手平台底座、主手六维力传感器、主手传感器紧固连接法兰、主手传感器输入法兰、手动滑台、滑台支架、主手手柄抱箍；所述滑台支架固定于主手平台底座上；所述手动滑台固定于滑台支架上；所述主手六维力传感器固定于手动滑台上；所述主手六维力传感器通过主手传感器输入法兰与主手手柄抱箍连接。所述主手设备力反馈测试标定方法，对主手端操纵设备的力反馈功能进行测试和标定，具体见发明内容。所述从手设备力感知测试标定平台包括从手平台底座、从手六维力传感器、从手操作对象；所述从手六维力传感器固定于从手平台底座上，其输入端通过传感器连接法兰固定有从手操作对象。所述从手设备力感知测试标定方法，对从手端设备的力感知性能进行测试和标定，具体见发明内容。所述主从手联机测试方法，对主从式遥操作设备的力反馈功能进行完整的性能测试，具体见发明内容。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (6)

1.一种遥操作设备力反馈功能的测试装置，其特征在于，包括：主手设备、主手设备力反馈测试标定平台、从手设备力感知测试标定平台；

所述主手设备力反馈测试标定平台与从手设备力感知测试标定平台相连；

所述主手设备力反馈测试标定平台，对主手设备实施测试和标定；

所述主手设备力反馈测试标定平台包括：主手平台底座(1)、主手六维力传感器(4)、手动滑台(3)、滑台支架(2)以及主手手柄抱箍(5)；

所述主手平台底座(1)与滑台支架(2)相连；

所述滑台支架(2)与手动滑台(3)相连；

所述主手六维力传感器(4)与手动滑台(3)相连；

所述主手六维力传感器(4)与主手手柄抱箍(5)相连；

还包括：从手设备；

所述从手设备力感知测试标定平台能够对从手设备的力/力矩检测功能实施测试和标定；

所述从手设备力感知测试标定平台包括：从手平台底座(6)、从手六维力传感器(7)、从手操作对象(8)；

从手六维力传感器(7)包括：从手传感器输入法兰(71)；

所述从手六维力传感器(7)紧固连接于从手平台底座(6)上；

所述从手六维力传感器(7)上安装有从手传感器输入法兰(71)；

所述从手六维力传感器(7)紧固连接有从手操作对象(8)。

2.根据权利要求1所述的遥操作设备力反馈功能的测试装置，其特征在于，所述主手六维力传感器(4)包括：主手传感器紧固连接法兰(41)、主手传感器输入法兰(42)；

所述主手平台底座(1)的面板上设置有定位孔网格；

所述主手平台底座(1)面板上的定位孔网格能够调整滑台支架(2)的位置；

所述主手平台底座(1)面板上的定位孔网格能够紧固连接不同的主手设备；所述滑台支架(2)呈倒T字型；

所述滑台支架(2)紧固连接于主手平台底座(1)上。

3.根据权利要求2所述的遥操作设备力反馈功能的测试装置，其特征在于，所述手动滑台(3)包括：滑台底座(35)、导向轴(34)、螺杆(33)、旋钮(32)、滑块(31)；

所述滑台底座(35)呈竖直方向紧固连接于滑台支架(2)上；所述滑块(31)与螺杆(33)连接；

所述螺杆(33)的转动带动滑块(31)做直线运动；

所述导向轴(34)平均分布于螺杆(33)两侧并与滑块(31)紧固连接，保证滑块(31)沿螺杆(33)做轴向直线运动；

所述旋钮(32)紧固连接于螺杆(33)顶部，螺杆(33)的转动可通过手动旋转旋钮(32)实现，两者呈同轴配合；所述主手六维力传感器(4)通过主手传感器紧固连接法兰(41)紧固连接于手动滑台(3)中的滑块(31)上，其高度的变化调节通过旋动旋钮(32)带动滑块(31)做直线运动来实现；所述主手六维力传感器(4)的输入端通过主手传感器输入法兰(42)连接主手手柄抱箍(5)。

4.根据权利要求1所述的遥操作设备力反馈功能的测试装置，其特征在于，还包括：主手操作手柄；

所述主手手柄抱箍(5)能够夹紧主手操作手柄。

5.一种遥操作设备力反馈功能的测试方法，其特征在于，采用权利要求1-4任一项所述的遥操作设备力反馈功能的测试装置，包括：

步骤S1：对主手端操纵设备的力反馈功能进行测试和标定；

步骤S2：将主手操纵端按照前述方式紧固连接在所述主手力反馈测试标定平台上，由主手设备控制器向主手操纵机构发送力反馈指令，获取出力信号；

所述出力信号包括：方向和大小不同的力/力矩信号；

步骤S3：同步记录主手六维力传感器(4)在其自身坐标系下x、y、z轴三个方向上感知到的力/力矩数据；

步骤S4：通过主手自身坐标系与主手六维力传感器(4)自身坐标系的变换关系，将主手六维力传感器(4)采集到的力/力矩信号与力反馈指令信号转换到同一坐标系下，对主手设备的力反馈性能进行综合评价和参数标定；

还包括：

步骤S5：对从手端设备的力感知性能进行测试和标定，将所述从手设备力感知测试标定平台紧固连接在从手工作区域内，由从手控制器控制向从手末端执行器发送指令，对从手操作对象(8)完成碰触、推拉的动作，同步记录从手设备自身的力传感器所感知到的力/力矩数据，以及从手六维力传感器(7)在其自身坐标系下x、y、z轴三个方向上感知到的力/力矩数据；

通过从手设备自身坐标系与从手六维力传感器(7)自身坐标系的变换关系，将从手六维力传感器(7)采集到的力/力矩信号与从手自身力感知信号转换到同一坐标系下；

对从手设备的力感知性能进行综合评价和参数标定；

还包括：

步骤S6：主手端设备和从手端设备各自完成标定后，连接形成完整的遥操作闭环***；

其中主手操纵端紧固连接在所述主手力反馈测试标定平台上，从手设备力感知测试标定平台按照前述方式紧固连接在从手工作区域内。

6.根据权利要求5所述的遥操作设备力反馈功能的测试方法，其特征在于，还包括：

步骤S7：由主手控制器向从手末端执行器发送指令，对从手操作对象(8)完成碰触、推拉，同步记录从手六维力传感器(7)和主手六维力传感器(4)在其自身坐标系下x、y、z轴三个方向上感知到的力/力矩数据；

将两者转换到同一坐标系下，对整个主从遥操作设备的力感知/力复现的过程进行综合性能评价和参数标定。