CN102873674B - 力/力矩反馈控制远程操纵系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种力/力矩反馈控制远程操纵系统，尤其适用于ITER工程中MCF（磁约束核聚变）装备远程维护操纵作业。所述系统包括主操纵臂、工控机、带有力/力矩反馈装置的从操纵臂和机器人末端执行模块。本发明为实现MCF装备维护中的力触觉临场感，采用了具有力/力矩反馈控制功能的远程操纵机械臂，具有三维空间位移精确定位以及反映灵敏等优势，为核聚变设施维护的人机交互提供了一个极好的系统平台；本发明的控制模块能够较好的实现力触觉反馈控制，具有成本低廉、性能良好、操作简单、准确性及可靠性高、鲁棒性高等优点。

Description

力/力矩反馈控制远程操纵系统
技术领域
本发明涉及核电站建设、运营及维护等领域，尤其是涉及一种适用于ITER工程中MCF（磁约束核聚变）装备远程维护的具有力/力矩反馈控制功能的操纵系统。
背景技术
随着远程操纵技术的快速发展，机器人末端执行器与环境的交互作用需依靠触感装置来实现，以达到“身临其境”的感知效果。核聚变设施的研制及MCF装备设计迫切需要具有一款基于力/扭矩反馈控制的远程操纵系统。目前产品化触感装置（如PHANTOM、Omega、Delta等）无法对特定环境下维护机械臂末端关节作业力/力矩实现实时反馈。针对此缺陷，开发一款适用于ITER项目MCF装备维护的、结构简单、易于操作的作业力/力矩反馈远程操纵系统对于弥补现有不足具有重大意义。再则，虚拟现实技术在军事、娱乐等领域的广泛应用，确保了在特定危险环境或针对特定操作，如狭窄区域、视角局限性大、表面跟踪操作等场合，进行实时精确的力/力矩反馈控制是维护作业安全稳定的首要保证。因此，为实现安全、稳定、便利的核工程建设、运营及维护作业，具有力/力矩反馈功能的远程操纵系统对提高触感装置的临场感以及虚拟现实系统的逼真性具有重大意义。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术不足，提供一种力/力矩反馈控制远程操纵系统。其通过力/力矩实时反馈控制，提高了主从式远程操纵系统在核电站建造、运营及维护作业中的有效性及鲁棒性。本发明既为核聚变设施的维护提供了系统保证，又增加了核设施运行维护作业的安全性；既避免了由于缺乏“身临其境”的力触觉感知而出现众多不确定操作失误，又增加了MCF装备运行的可靠性和经济性。
根据本发明的一个方面，提供一种力/力矩反馈控制远程操纵系统，包括依次连接的主操纵臂、工控机、从操纵臂、以及机器人末端执行模块；工控机包括人手颤动及惯性力补偿模块、从操纵臂末端重力补偿模块、运动比例缩放模块、以及力/力矩比例缩放模块；
主操纵臂用于将其运动轨迹传输至工控机，人手颤动及惯性力补偿模块和从操纵臂末端重力补偿模块均连接在主操纵臂与运动比例缩放模块之间，人手颤动及惯性力补偿模块用于对人手颤动、惯性力作用引起的非适应性因素进行补偿，从操纵臂末端重力补偿模块用于对主操纵臂末端重量引起的非适应性因素进行补偿；经人手颤动及惯性力补偿模块和从操纵臂末端重力补偿模块补偿后的电信号经由运动比例缩放模块按照特定比例缩放，再通过从操纵臂带动机器人末端执行模块进行不同类型的远程操纵作业；
机器人末端执行模块在维护作业过程中产生的力/力矩传递到从操纵臂末端，转化为从操纵臂末端运动，安装于从操纵臂内部的力／力矩传感器及位置传感器将从操纵臂末端的运动轨迹传递给力/力矩比例缩放模块，力/力矩比例缩放模块将主操纵臂输入端和从操纵臂末端的位移或受力进行比较，如主操纵臂和从操纵臂位移数值之比或受力数值之比与原先设定值相等，则不进行反馈；若两者有差异，则力/力矩比例缩放模块将主操纵臂和从操纵臂位移变化幅度或受力变化幅度向接近于原先设定值的方向进行修正，再由工控机传输给主操纵臂，主操纵臂接收力/力矩比例缩放模块反馈的电信号，并向人手颤动及惯性力补偿模块、从操纵臂末端重力补偿模块传输信息。
优选地，所述人手颤动及惯性力补偿模块，采用滤波方式，对人手颤动频率及惯性力颤动过滤后的运动传输给所述从操纵臂，最终由所述从操纵臂输出给机器人末端执行模块。
优选地，所述从操纵臂末端重力补偿模块，采用软件处理方式，对所述机器人末端执行模块重力进行补偿，用于消除由于机器人末端执行模块自身重量带来的操作误差。
优选地，所述运动比例缩放模块用于实现所述主操纵臂与所述从操纵臂运动比例的设置功能，从而扩大所述从操纵臂的作业定位精度及应用范围。
优选地，所述力/力矩比例缩放模块，用于通过对所述从机器人末端执行模块作业力/力矩进行缩放并反馈给所属的主操纵臂的控制设备，增强了作业维护过程中的力觉触感效果。
优选地，从操纵臂包括力/力矩反馈装置，力/力矩反馈装置采用ATI力/力矩传感装置，力/力矩反馈装置用于将机器人末端执行模块作业时承受的力/力矩反馈给主操纵臂。
在本发明的一个优选的具体实施方式中，所述力/力矩反馈控制远程操纵系统包括主操纵臂、工控机、带有力/力矩反馈装置的从操纵臂和机器人末端执行模块，工控机分别与主操纵臂、带有力/力矩反馈装置的从操纵臂传输电信号以进行通讯，工控机内包含有人手颤动及惯性力补偿模块、从操纵臂末端重力补偿模块、运动比例缩放模块、力/力矩比例缩放模块；其中，人手颤动及惯性力补偿模块输入端与主操纵臂连接，输出端与运动比例缩放模块连接；从操纵臂末端重力补偿模块输出与运动比例缩放模块连接；最后运动比例缩放模块再将信号传输给从操纵臂；力/力矩比例缩放模块的输入连接从操纵臂，输出连接主操纵臂。
所述的主操纵臂用于机器人末端作业轨迹的输入和力/力矩反馈输出，便于作业轨迹的柔顺性及实时力觉反馈；所述的人手颤动及惯性力补偿模块、从操纵臂末端重力补偿模块、运动比例缩放模块均布置于主操纵臂和从操纵臂之间，达到力/力矩及位移的实时反馈操作。
所述人手颤动及惯性力补偿模块，采用滤波方式，将对人手颤动频率（8～14HZ）及惯性力颤动过滤后的运动传输给从操纵臂控制器，最终由从操纵臂输出。人手颤动及惯性力补偿的具体算法为：根据实验测试，针对不同操作者设置其连续两次采样允许的最大偏差值Emax，将后续采样检测到的数值偏差与Emax进行比较，若现有偏差值不超过Emax，则选用本次偏差值；若超出最Emax，则放弃本次偏差值，用上次偏差值代替。由此采集到的有效值对人手颤动及惯性力进行补偿。
所述的从操纵臂末端重力补偿模块，采用软件处理方式，对所述机器人末端执行模块重力进行补偿，消除由于机械末端执行机构自身重量不同而带来的操作误差。
所述的运动比例缩放模块，主操纵臂与从操纵臂运动比例可根据实际需要设置为比例系数K，随着K取值的变化，主操纵臂的运动按照比例值缩放为从操纵臂的运动，提高了从操纵臂的作业定位精度及应用范围。
所述的力/力矩比例缩放模块，是对从机械臂末端执行机构模块作业力/力矩进行缩放，反馈给主操纵臂控制设备，使作业维护力觉触感具有“身临其境”的感知效果，提高远程遥控操作的便捷性和柔顺性。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1、所述的人手颤动及惯性力补偿模块可以对核聚变设施内部作业部位进行平稳、便利的维护作业，在实现高鲁棒性作业的同时，使远程操纵技术实用化。
2、力/力矩反馈装置功能使机械臂末端执行模块具有“身临其境”的力觉触感效果，使主操纵臂的维护作业更具有真实性，极大提高作业者维护效果；
3、人手颤动及惯性力补偿、运动比例缩放模块以及力/力矩缩放模块的控制算法，使该系统可以对不同规模维护对象进行远程操控作业，利于模块化技术的实现；
4、主从操纵臂之间信息的实时传输满足远程操纵系统控制需求；
5、所述力/力矩反馈控制远程操纵系统，智能化程度高，主操纵臂可实现力觉触感效果较好的作业效果，有较强的容错能力，非常适合于在空间受限、条件复杂的环境中进行遥操作维护作业。
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为本发明的系统组成框图；
图2为机器人末端执行模块。
图中：1为预紧力调节螺钉，2为上支撑垫圈，3为压紧弹簧，4为下支撑垫圈，5为作业工具（例如喷涂工具、焊枪、紧固工具等），6为支撑座。
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，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图1所示，在本实施例中，根据本发明提供的力/力矩反馈控制远程操纵系统包括：主操纵臂10、工控机20、带有力/力矩反馈装置31的从操纵臂30和机器人末端执行模块41；工控机20内含有人手颤动及惯性力补偿模块21、从操纵臂末端重力补偿模块22、运动比例缩放模块23、力/力矩比例缩放模块50。其中：
主操纵臂10采用Falcon力反馈装置，其包含有主操作手柄、主控制器及多自由度力/位移传感器。主操纵臂10的位置传感器与人手颤动及惯性力补偿模块21、从操纵臂末端重力补偿模块22的电信号连接；
工控机20作为力/力矩反馈控制远程操纵系统的控制核心，内部含有人手颤动及惯性力补偿模块21、从操纵臂末端重力补偿模块22、运动比例缩放模块23、力/力矩比例缩放模块50。其中，工控机20内部含有的人手颤动及惯性力补偿模块21、从操纵臂末端重力补偿模块22起到主操纵臂10和运动比例缩放模块23信息衔接及补偿作用；力/力矩比例缩放模块50将从操纵臂30中得到的传感信息反馈给主操纵臂10。
从操纵臂30采用ATI力/力矩传感器作为力/力矩反馈装置，其将机器人末端执行模块41作业时承受的力/力矩通过力/力矩比例缩放模块50反馈给主操纵臂10。
如图2所示，本实施例中的机器人末端执行模块41主要由预紧力调节螺钉1、上支撑垫圈2、压紧弹簧3、下支撑垫圈4、作业工具（例如喷涂工具、焊枪、紧固工具等）5、支撑座6组成。作业工具5最小初始施加压力通过调整压紧弹簧3上面预紧力调节螺钉1来实现。此机器人末端执行模块41仅是实施案例的一种，众多机器人末端模块化执行机构均可以取代此装置，用于此力/力矩反馈控制远程操纵系统中作为所述作业工具，本发明不排除对其他模块化执行机构安装于该系统中的保护权利。
上述实施例的工作过程和工作原理是：
1、主操纵臂10对从操纵臂30的信号传输及工作原理如下：作业人员通过对主操纵臂10的主操作手柄进行操作，其运动轨迹传输至工控机20，然后经由工控机20将信号发送到从操纵臂30的控制器中，驱动安装于从操纵臂30末端的机器人末端执行模块41进行维护作业。
2、从操纵臂30对主操纵臂10的力/力觉反馈控制原理如下：机器人末端执行模块41维护作业过程中产生的力/力矩传递到从操纵臂30末端，转化为从操纵臂30末端运动，安装于从操纵臂内部的力／力矩传感器及位置传感器将从操纵臂30末端的运动轨迹传递给工控机20,工控机20将主操纵臂10输入端和从操纵臂30末端的位移或受力进行比较，如主操纵臂和从操纵臂位移数值之比或受力数值之比与原先设定值相等，则不进行反馈；若两者有差异，则力/力矩比例缩放模块50将主操纵臂和从操纵臂位移变化幅度或受力变化幅度向接近于原先设定值的方向进行修正，再由工控机20传输给主操纵臂10。
3、工控机20内部主要控制实施原理如下：主操纵臂操10作人员操作时，机械臂末端执行模块41通过工控机20中的人手颤动及惯性力补偿模块21、从操纵臂末端重力补偿模块22，对由于人手颤动、惯性力作用及从，补偿后的电信号经由工控机20中的运动比例缩放模块23将维护作业按照特定比例缩放，再通过从操纵臂30带动机器人末端执行模块41进行不同类型的远程操纵作业。
本发明能够在核聚变设施内部狭窄有限空间以及恶劣环境中，独立灵活的实现远程操纵作业，用于控制众多不同的检测和维护工具。本发明既为核电站安全稳定运行提供了有力的系统保障，又增加了对ITER工程MCF装备监控及维护作业的模块化程度；减少了核辐射危险区远程监控及作业的复杂性和繁琐性，增加了检测维护操作的鲁棒性及可靠性。
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形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (6)

1.一种力/力矩反馈控制远程操纵系统，其特征在于，包括依次连接的主操纵臂、工控机、从操纵臂、以及机器人末端执行模块；工控机包括人手颤动及惯性力补偿模块、从操纵臂末端重力补偿模块、运动比例缩放模块、以及力/力矩比例缩放模块；
主操纵臂用于将其运动轨迹传输至工控机，人手颤动及惯性力补偿模块和从操纵臂末端重力补偿模块均连接在主操纵臂与运动比例缩放模块之间，人手颤动及惯性力补偿模块用于对人手颤动、惯性力作用引起的非适应性因素进行补偿，从操纵臂末端重力补偿模块用于对主操纵臂末端重量引起的非适应性因素进行补偿；经人手颤动及惯性力补偿模块和从操纵臂末端重力补偿模块补偿后的电信号经由运动比例缩放模块按照特定比例缩放，再通过从操纵臂带动机器人末端执行模块进行不同类型的远程操纵作业；
机器人末端执行模块在维护作业过程中产生的力/力矩传递到从操纵臂末端，转化为从操纵臂末端运动，安装于从操纵臂内部的力/力矩传感器及位置传感器将从操纵臂末端的运动轨迹传递给力/力矩比例缩放模块，力/力矩比例缩放模块将主操纵臂输入端和从操纵臂末端的位移或受力进行比较，如主操纵臂和从操纵臂位移数值之比或受力数值之比与原先设定值相等，则不进行反馈；若两者有差异，则力/力矩比例缩放模块将主操纵臂和从操纵臂位移变化幅度或受力变化幅度向接近于原先设定值的方向进行修正，再由工控机传输给主操纵臂，主操纵臂接收力/力矩比例缩放模块反馈的电信号，并向人手颤动及惯性力补偿模块、从操纵臂末端重力补偿模块传输信息。
2.根据权利要求1所述的力/力矩反馈控制远程操纵系统，其特征在于，所述人手颤动及惯性力补偿模块，采用滤波方式，对人手颤动频率及惯性力颤动过滤后的运动传输给所述从操纵臂，最终由所述从操纵臂输出给机器人末端执行模块。
3.根据权利要求1所述的力/力矩反馈控制远程操纵系统，其特征在于，所述从操纵臂末端重力补偿模块，采用软件处理方式，对所述机器人末端执行模块重力进行补偿，用于消除由于机器人末端执行模块自身重量带来的操作误差。
4.根据权利要求1所述的力/力矩反馈控制远程操纵系统，其特征在于，所述运动比例缩放模块用于实现所述主操纵臂与所述从操纵臂运动比例的设置功能，从而扩大所述从操纵臂的作业定位精度及应用范围。
5.根据权利要求1所述的力/力矩反馈控制远程操纵系统，其特征在于，所述力/力矩比例缩放模块，用于通过对所述机器人末端执行模块作业力/力矩进行缩放并反馈给所属的主操纵臂的控制设备，增强了作业维护过程中的力觉触感效果。
6.根据权利要求1所述的力/力矩反馈控制远程操纵系统，其特征在于，从操纵臂包括力/力矩反馈装置，力/力矩反馈装置采用ATI力/力矩传感装置，力/力矩反馈装置用于将机器人末端执行模块作业时承受的力/力矩反馈给主操纵臂。
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