CN101887264A - 基于触觉传感器的遥操作机器人力觉临场感控制方法 - Google Patents

Abstract

一种基于触觉传感器的遥操作机器人力觉临场感控制方法，包括：主边回路和从边回路，主边回路由主边回路开关、主边控制器、主机器人和比较器构成，从边回路由从边控制器、从机器人和比较器构成，步骤如下：将位置差信号x_u发送给从边控制器，从边控制器形成的输出控制量u_s，u_s进入输出给从机器人并用于控制从机器人运动，在从机器人上设置触觉传感器用于感知环境对从机器人作用力f_e，当f_e大于阈值f_T时，接通主边回路中的主边回路开关，x_u被输入至主边控制器，输出控制量为u_m，最后，将u_m输出至主机器人并由主机器人产生作用于操纵者的反馈力，使操作者产生力觉临场感，同时从机器人跟随主机器人运动；当反馈力信号f_e小于f_T时，主机器人不提供反馈力给操作者。

Description

基于触觉传感器的遥操作机器人力觉临场感控制方法

技术领域

本发明涉及控制技术，特别地，涉及一种基于力触觉传感器的遥操作机器人系统中力觉临场感的控制方法。

背景技术

遥操作机器人系统目的是把人和机器人连接起来，由机器人在远端重现操作者的动作。一般遥操作机器人是使用在人难以接近的、难以进入或对人有害的环境中，如太空、深海、核放射区域。临场感技术是一种先进的人与机器人交互的方式，其基本概念：一方面通过操作者周围的多传感器系统将操作者的运动和位置信息实时检测并作为控制指令送到远地机器人控制器中；另一方面通过在远地机器人上安装的多传感器系统将机器人和环境以及两者的交互信息(包括视觉，听觉，力觉等信息)实时地检测并以自然和真实的方式直接反馈给操作者，使操作者产生身临其境的感受，从而有效地感知环境及控制机器人。其中，力觉临场感是反馈的主要信息之一，对操作者能否对远端进行准确的操作起到关键的作用。

使操作者在主边准确地感知到从边反馈的力信号，是遥操作机器人系统中的关键问题。目前的力反馈都是基于力传感器的。基于力传感器的精度有限，常常会使主边的操作者感受到的反馈力不准确，会影响到控制的稳定性。另外，从机器人在运动时还有惯性力和重力的干扰，令操作者在从机器人与环境接触之前就感受到反馈力，大大影响了临场感效果。如何使操作者精确地感知接触与否，如何提高遥操作系统的操作性，是当前遥操作系统的研究的一个关键问题。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于触觉传感器的力觉临场感技术的控制方法，它能使操纵者所感受到的反馈力更加准确。

本发明采用如下技术方案：

所述遥操作机器人力觉临场感控制方法包括：主边回路和从边回路，主边回路由主边回路开关、主边控制器、主机器人和比较器构成，从边回路由从边控制器、从机器人和比较器构成，具体操作步骤如下：

将位置差信号x_u发送给从边控制器，从边控制器采用比例积分控制器且从边控制器形成的输出控制量u_s为

其中B_s为从边控制器的积分系数，K_s为从边控制器的比例系数，t为时间量，从边控制器将所述输出控制量u_s输出给从机器人并用于控制从机器人运动，在从机器人上设置触觉传感器且所述触觉传感器用于感知环境对从机器人的作用力f_e，当作用力f_e大于阈值f_T时，接通主边回路中的主边回路开关，所述位置差信号被输入至主边控制器并由主边控制器将位置差信号转化为主边控制器的输出控制量为

其中B_m为主边控制器的积分系数，K_m为主边控制器的比例系数，t为时间量，最后，将主边控制器的输出控制量输出至主机器人并由主机器人产生作用于操纵者的反馈力，使操作者产生力觉临场感，同时从机器人跟随主机器人运动；当反馈力信号f_e小于阈值f_T时，主机器人不提供反馈力给操作者，只有从机器人跟随主机器人运动。

所述位置差信号x_u主边位置信号x_m与从机器人反馈的从边位置信号x_s之差构成，位置差信号x_u＝x_m-x_s。

本发明的有益效果在于：

1.本控制系统实现了遥操作机器人的力觉临场感控制。

2.引入触觉传感器，根据系统中的从机器人与环境接触的情况，触觉传感器可以控制遥操作机器人系统的主边回路的接通与断开，当从机器人与环境接触，就接通主边回路，使主机器人产生反馈力给操作者；当从机器人未与环境接触，就断开主边回路，不提供力反馈，由此使得操作者可以清晰的判断从机器人与环境的是否接触。

3.由于从机器人未与环境接触时没有力反馈，这样就消除了从机器人在未与环境接触的运动过程中，由于力传感器精度低、重力、惯性力干扰等因素而使主机器人产生的不需要的反馈力，而在从机器人与环境接触的之后再准确地传递环境的反馈力。

4.该方法提高的遥操作机器人系统的感知能力，能极大地拓宽遥操作机器人的应用范围，如在远程医疗中提高控制精度、遥操作移动机器人的准确定位等等。

附图说明

图1是本发明的遥操作机器人控制模型图。

图2是位置信号仿真结果。

图3是力信号仿真结果。

具体实施方式

所述遥操作机器人力觉临场感控制方法包括：主边回路1和从边回路2，主边回路1由主边回路开关13、主边控制器14、主机器人12和比较器构成，从边回路2由从边控制器21、从机器人22和比较器构成，具体操作步骤如下：

将位置差信号x_u发送给从边控制器21，从边控制器21采用比例积分控制器且从边控制器21形成的输出控制量u_s为

其中B_s为从边控制器的积分系数，K_s为从边控制器的比例系数，t为时间量，从边控制器21将所述输出控制量u_s输出给从机器人22并用于控制从机器人22运动，在从机器人22上设置触觉传感器24且所述触觉传感器用于感知环境对从机器人的作用力f_e，当f_e大于阈值f_T时，接通主边回路1中的主边回路开关13，所述位置差信号被输入至主边控制器14并由主边控制器14将位置差信号转化为主边控制器14的输出控制量为

其中B_m为主边控制器的积分系数，K_m为主边控制器的比例系数，t为时间量，最后，将主边控制器14的输出控制量输出至主机器人12并由主机器人12产生作用于操纵者11的反馈力，使操作者11产生力觉临场感，同时从机器人22跟随主机器人12运动；当反馈力信号f_e小于阈值f_T时，主机器人12不提供反馈力给操作者11，只有从机器人22跟随主机器人12运动。

所述位置差信号x_u主边位置信号x_m与从机器人22反馈的从边位置信号x_s之差构成，位置差信号x_u＝x_m-x_s。该位置差信号是由比较器产生，本发明中比较器的作用效果是两个输入值相减。

下面通过实例，对本发明的具体实施方式做出更为详细的说明：

(1)操作者11操作主机器人12，产生主边位置信号x_m。主边位置信号x_m与从机器人22反馈的从边位置信号x_s构成位置差信号x_u＝x_m-x_s，该位置差信号经过从边控制器21(比例积分控制器)获得输出控制量u_s，u_s为

其中B_s为从边控制器的积分系数，K_s为从边控制器的比例系数，t为时间量。该控制量进入从机器人22，控制从机器人22运动。在仿真实例中，将在2秒时刻启动的斜坡信号(输入信号模型即为

t为时间量)作为主机器人12传递的主边位置信号x_m，输入到遥操作系统。主边位置信号x_m与从机器人22的反馈信号x_s的差值信号x_u输入到从边控制器21。从边控制器21为比例积分控制器，在仿真实例中，积分系数B_s取20，比例系数K_s取200。从边控制器21的输出控制量u_s输入到从机器人22(令从机器人模型为

m_s＝2，b_s＝0.001，k_s＝0，m_s为从机器人的惯性系数，b_s为从机器人的阻尼系数，k_s为从机器人的比例系数)，控制从机器人22运动。

(2)从机器人22运动并与环境23作用，产生作用于环境23上的力，同时，由于力的作用是相互的，环境23也产生作用于从机器人22的反馈力f_e。当从机器人22与环境23(环境模型为惯性分量、阻尼分量和弹性分量的组合，在本实例中将环境模型简化为只有弹性分量，弹性系数K_e＝0.8)接触时，从机器人22作用于环境23的力与环境23作用于从机器人22的力相等，即f_s＝f_e。

(3)将触觉传感器24(本发明使用的是力触觉传感器)置于从机器人22处，触觉传感器24的存在可以使遥操作系统准确地感知从机器人是否与环境23接触，当从机器人22未与环境23接触时，触觉传感器24切断主边回路，操作者11感受不到主机器人12的力反馈，而从机器人22仅仅跟踪主机器人12作位置运动；当从机器人22与环境23接触时，触觉传感器24打开主边回路，使操作者11明确感知到主机器人12作用力的存在。而且，可以根据遥操作机器人使用环境的不同，调节触觉传感器的阈值，以此增强实际的控制效果。环境作用于从机器人的反馈力信号f_e进入触觉传感器，由触觉传感器设定的阈值(触觉传感器模型

t为时间量，在仿真实例中取f_T＝0)来控制主边位置差信号反馈的通断。在比较器和主边控制器14之间设置一个主边回路开关13，由从机器人22上的触觉传感器24控制。主边控制器14的输出控制量为u_m，其中B_m为主边控制器的积分系数，K_m为主边控制器的比例系数，t为时间量，仿真实例中积分系数B_m取3，比例系数K_m取60。

当f_e＞f_T时，主边回路开关13为接通，位置差信号进入主边控制器14，控制量信号u_m再进入主机器人12(令主机器人模型为

m_m＝0.6，b_m＝0.001，k_m＝0，其中m_m为主机器人的惯性系数，b_m为主机器人的阻尼系数，k_m为主机器人的比例系数)，形成主机器人12对操作者11的作用力，产生临场感，并且此时从机器人22跟随主机器人12运动。当f_e＜f_T，主边回路开关13断开，主机器人12没有反馈力作用于操作者11，只有从机器人22跟随主机器人12运动。这样，操作者11就能准确地感知到反馈力，而且可以明确知道从机器人是否与环境接触。

图2是本发明的位置信号仿真结果。实线代表主边位置信号，虚线代表从边位置信号，可以看出从机器人22能够较好地跟踪主机器人12运动。图3是本发明的力信号仿真结果。实线代表环境作用于从机器人22的力，而虚线代表主机器人12作用于操作者11的反馈力，可以看出主机器人12提供的反馈力较好地跟踪了环境23作用于从机器人22的力，而在环境作用力产生之前由于触觉传感器24的作用，主机器人12没有任何力反馈的干扰，这样就形成了良好的临场感效果，提高操作者11的控制准确性。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本邻域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (1)

1.一种基于触觉传感器的遥操作机器人力觉临场感控制方法，其特征在于，

所述遥操作机器人力觉临场感控制方法包括：主边回路(1)和从边回路(2)，主边回路(1)由主边回路开关(13)、主边控制器(14)、主机器人(12)和比较器构成，从边回路(2)由从边控制器(21)、从机器人(22)和比较器构成，具体操作步骤如下：

将位置差信号x_u发送给从边控制器，从边控制器采用比例积分控制器且从边控制器形成的输出控制量u_s为

其中B_s为从边控制器的积分系数，K_s为从边控制器的比例系数，t为时间量，从边控制器将所述输出控制量u_s输出给从机器人并用于控制从机器人运动，在从机器人上设置触觉传感器(24)且所述触觉传感器用于感知环境对从机器人的作用力f_e，当f_e大于阈值f_T时，接通主边回路中的主边回路开关，所述位置差信号被输入至主边控制器并由主边控制器将位置差信号转化为主边控制器的输出控制量u_m为

其中B_m为主边控制器的积分系数，K_m为主边控制器的比例系数，t为时间量，最后，将主边控制器的输出控制量输出至主机器人并由主机器人产生作用于操纵者的反馈力，使操作者产生力觉临场感，同时从机器人跟随主机器人运动；当反馈力信号f_e小于阈值f_T时，主机器人不提供反馈力给操作者，只有从机器人跟随主机器人运动。

所述位置差信号x_u主边位置信号x_m与从机器人反馈的从边位置信号x_s之差构成，位置差信号x_u＝x_m-x_s。

Images