CN104007821A - 力反馈设备变阻尼控制装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种适用于力反馈设备的变阻尼控制装置及力反馈控制方法。所述变阻尼控制装置，包括可控式电磁阻尼器、可控电磁阻尼器驱动单元、直流有刷电机放大器、运动控制单元四部分，其中，可控电磁阻尼器驱动单元包括主驱动电路、可控硅整流电路二部分，运动控制单元包括电源接口电路、电流采样电路、驱动隔离电路、PWM调理电路、DSP微处理器、D/A转换电路、编码器接口电路、CAN通讯接口电路。在所述力反馈控制方法中，根据推定的反馈力渲染刚度和反馈力刷新频率确定机构应具有的最小机构阻尼，而后利用变阻尼控制装置调整力反馈设备机构阻尼，保证实现力反馈设备的稳定输出。

Description

力反馈设备变阻尼控制装置及其控制方法

技术领域

本发明专利涉及用于实现人与计算机之间运动/力觉信息交互，再现操作过程中接触力信息的力反馈设备的控制装置及控制方法。 

背景技术

力反馈系统(haptic rendering system)，是一种计算机力觉感知/接口设备，该设备能够通过控制发出的力/力矩的大小和方向提高操作人员控制作业的临场感，同时利用自身携带的传感器(如位置编码器，力/力矩传感器)向操作系统传送当前的作业位置和受力情况。力反馈系统增强了人与计算机之间的耦合，方便了操作人员对信息的接受和处理，有利于提高操作过程的安全性和效率。当前现有的力反馈系统种类多达几十乃至上百种，广泛地应用于极端环境下的遥控作业、深空探测、远程医疗、虚拟现实、柔性制造等领域。公知的力反馈系统从系统组成上可以分为机械部分和控制部分，其中的控制部分通过驱动电机带动机械部分实现反馈力的输出。因此，控制部分的控制策略关系到反馈力输出能力和交互过程的操作临场感。 

操作人员进行力交互过程中涉及到力反馈设备稳定性问题。然而，设备能否进行稳定交互不仅与控制策略相关，还与力反馈设备机械部分的阻尼相关。上述关系也称为力反馈稳定输出条件，可由如下不等式描述(参考非专利文献一)： 

$b>\frac{\mathrm{KT}}{2}---\left(1\right)$

其中：b——力反馈设备机构阻尼； 

K——反馈力渲染刚度； 

T——反馈力刷新频率； 

由此可见，动态改变力反馈设备机构阻尼能更好的协调反馈力刷新频率和反馈力渲染刚度之间的关系，是改善力反馈设备性能的一种新途径。所以，强烈希望能够实现一种具备机构阻尼调节能力的力反馈设备的控制装置。 

非专利文献 

【非专利文献一】Adams R J,Hannaford B.Stable haptic interaction with virtual environments[J].Robotics and Automation,IEEE Transactions on,1999,15(3):465-474. 

发明内容

本发明提供一种适用于力反馈设备的反馈力输出控制的变阻尼控制装置及力反馈设备控制方法。 

为实现上述目的，本发明采用如下结构。 

本发明实施方案中变阻尼控制装置是一种可对机构阻尼进行动态调整的反馈力输出控制装置，包括：可控式电磁阻尼器，用于调节机构关节处运动阻尼，安装于关节转轴末端；可控电磁阻尼器驱动单元，用于驱动可控式电磁阻尼器，调节可控式电磁阻尼器的阻尼；直流有刷电机放大器，用于驱动安装于机构运动关节处的直流有刷电机，实现关节驱动力的输出；运动控制单元，用于采样直流有刷电机编码器信号，采样可控式电磁阻尼器线圈电流，利用CAN总线与上位机通讯，执行力反馈设备控制方法，输出直流有刷电机扭矩控制指令，输出可控式电磁阻尼器阻尼控制指令。 

所述可控电磁阻尼器驱动单元，包括：主驱动电路，利用4个开关管为可控电磁阻尼器的绕组提供励磁电流；可控硅整流电路，用于将输入的交流电转换为单向脉动性直流电。 

所述运动控制单元，包括：电源接口电路，是系统的电源入口，对输入电源进行整流滤波，限压，限流，提高系统的安全性和电磁兼容能力；电流采样电路，用于完成对可控电磁阻尼器线圈的电流采样；驱动隔离电路，提供主驱动电路中开关管所需的隔离电源；PWM调理电路，用于提高PWM信号的驱动能力，调理信号防止主驱动电路桥臂直通；DSP微处理器，用于执行力反馈设备控制方法；D/A转换电路，用于直流有刷电机扭矩控制指令的电压模拟量转换和输出；编码器接口电路，用于对光电编码器脉冲进行信号调理，防止计数电路出现误码；CAN通讯接口电路，用于连接通讯线缆，实现与上位机的CAN总线通讯。 

另外，在本发明中力反馈设备控制方法是一种对变阻尼控制装置进行力反馈输出控制的方法，包括：模块初始化步骤，用于初始化控制系统参数，配置直流有刷电机参数，配置可控式电磁阻尼器参数；电机编码器采样步骤，用于采样安装于直流有刷电机上的光电编码器的输入信号，计算机构运动关节的位置信息；反馈力刷新频率推定步骤，用于计算力反馈机构反馈力刷新频率；反馈力渲染刚度推定步骤，用于计算力反馈机构的反馈力渲染刚度；最小机构阻尼计算步骤，用于计算满足力反馈稳定输出条件(1)所需要的最小机构阻尼；可控电磁阻尼器阻尼输出步骤，用于调整阻尼器阻尼输出；直流有刷电机扭矩输出步骤，用于调整电机的扭矩输出，实现反馈力的渲染；CAN总线数据解析与发送步骤，用于与上位机交换关节位置信息、电机扭矩信息、关节速度信息、设备状态信息。 

包含上述步骤的力反馈设备控制方法中，当力反馈设备机构阻尼b与推定的反馈力渲染刚 度K和反馈力刷新频率T不满足(1)时，利用(1)计算机构应具有的最小机构阻尼b_min，而后利用变阻尼控制装置调整力反馈设备机构阻尼，使得b＞b_min，从而实现力反馈设备的稳定输出。 

与现有技术相比，本发明的有益效果主要表现在： 

1.本发明所述的力反馈控制装置利用可控电磁阻尼器调节机构阻尼，使得力反馈设备的机构阻尼具备了自主调整的能力，有利于提高力反馈设备实现稳定力反馈输出的能力。 

2.本发明所述的力反馈控制方法可以依据反馈力输出刚度和刷新频率对可控式电磁阻尼器阻尼进行动态调整，保证了设备能够在不同反馈力输出刚度和刷新频率下实现稳定交互。 

3.本发明所述的运动控制模块集成了编码器信号采样、电流信号采样、CAN通讯接口电路、可控电磁阻尼器驱动隔离等功能，具有高集成度的特点，减少了设备的硬接线，降低了电气系统的生产和维护成本。 

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，本发明的其他特征、目的和优点将会变得更明显： 

图1用来说明实施例的采用力反馈变阻尼控制装置的力反馈设备的整体结构图； 

图2为本发明的实施例涉及变阻尼控制装置的结构图； 

图3为本发明的实施例涉及力反馈设备的机构的结构图； 

图4为本发明的力反馈设备控制方法的流程图； 

图5A、图5B和图5C用来说明实施例涉及的反馈力刷新频率的推定方法； 

图6A和图6B用来说明实施例涉及的反馈力渲染刚度的推定方法； 

其中：1直流有刷电机，2单关节力反馈设备机构，3可控式电磁阻尼器，8光电编码器，10先入先出队列，14第T_n时刻反馈扭矩值，15第T_n-1时刻反馈扭矩值，21操作手柄，22关节连杆，23关节基座，22A第T_n时刻关节连杆的位置，22B第T_n-1时刻关节连杆的位置 

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明做进一步详细说明。以下实施例将有利于本领域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。 

首先，使用图1对实施例的力反馈系统的整体结构进行说明。图1为示出采用力反馈变阻尼控制装置的力反馈设备实施例的整体结构图。 

如图1所示，有关实施例的力反馈系统，包括直流有刷电机(1)，单关节力反馈设备机构(2)，可控式电磁阻尼器(3)，可控电磁阻尼器驱动单元(4)，上位机(5)，运动控制单元(6)，直流有刷电机放大器(7)，光电编码器(8)。 

单关节力反馈设备机构(2)，包括操作手柄(21)，关节连杆(22)，关节基座(23)。 

单关节力反馈设备机构(2)是操作人员进行操作的人机交互接口，操作人员通过推或拉操作手柄(21)输入位置指令，操作手柄(21)带动关节连杆(22)相对关节基座(23)做回转运动，运动控制单元(6)通过光电编码器(8)检测回转运动产生的关节角度，并将关节角度和关节角速度通过CAN总线发送至上位机(5)进行反馈扭矩解算，解算后的反馈扭矩由上位机(5)通过CAN总线发送至运动控制单元(6)，运动控制单元(6)根据力反馈设备控制方法利用可控电磁阻尼器驱动单元(4)调整可控式电磁阻尼器(3)的阻尼，同时利用直流有刷电机放大器(7)驱动直流有刷电机(1)完成扭矩输出。 

图2用来说明运动控制单元(6)的结构图。 

如图2所示，运动控制单元(6)由电源接口电路(67)获取电源，电源接口电路(67)对输入电源进行整流滤波，限压，限流，以提高系统的安全性和电磁兼容能力；DSP微处理器(64)是变阻尼控制装置的核心，通过编码器接口电路(66)实现对光电编码器(8)的脉冲信号的采样，通过电流采样电路(68)实现对可控式电磁阻尼器(3)线圈电流的采样，通过D/A转换电路(65)将数字量反馈扭矩信号转换为等价的电压模拟量输入到直流有刷电机放大器(7)，通过PWM调理电路(62)和隔离驱动电路(61)控制可控式驱动单元(4)的主驱动电路(42)的开关管的通断，利用CAN通讯接口电路(63)将采样得到的编码器信息发送至上位机(5)，并获取上位机(5)下发的反馈扭矩信息。 

由图1和图2中可以看出，可控式电磁阻尼器(3)和直流有刷电机(1)被安装于力反馈设备关节轴上。 

下面参照图3来详细描述根据本发明的力反馈设备控制方法。图3为示出本发明的力反馈设备控制方法的流程图。 

如图3所示，步骤9A，变阻尼控制装置进行模块的初始化，配置DSP微处理器(64)内部寄存器，配置直流有刷电机(1)扭矩参数和可控式电磁阻尼器(4)阻尼参数。 

在步骤9B，进入循环执行步骤9C～步骤9H的操作。 

在步骤9C，运动控制单元(6)对光电编码器(8)脉冲信号进行采样，得到对光电编码器脉冲的计数值。 

在步骤9D，进行反馈力刷新频率的推定，即根据反馈力达到时间序列推算反馈力的刷新频率。 

以下，利用图5A、图5B和图5C对步骤9D执行的反馈力刷新频率推定方法进行详细说明。图5A为用来说明实施例涉及的反馈力刷新频率的推定方法需要处理的反馈力数据序列。图5B为用来说明实施例涉及的反馈力刷新频率的推定方法用于保存反馈力数据序列的先入先出队列。图5C为用来说明实施例涉及的反馈力刷新频率的推定方法中先入先出队列的更新方法。 

在进行反馈力刷新频率的推定之前，假设在t＝T_n时刻，运动控制单元(6)接收到的反馈力数据可以描述为图5A所示的反馈力数据序列。DSP微处理器(64)存储空间中建立一个先入先出队列(10)，用于内部保存定时器计数值，内存指针(11)用于指出先入先出队列的队首位置，内存指针(12)用于指出先入先出队列的队尾位置。 

首先，在t＝T_n时刻，反馈力刷新频率可以推定为 

$f_{\mathrm{\τ}}=\underset{i=0}{\overset{5}{\mathrm{\Σ}}}\frac{5}{\left(\right[i+1]-[i\left]\right)}---\left(2\right)$

其中：[i],[i+1]——i和i+1对应存储空间中的保存的反馈力数据。 

然后，当下一个反馈力数据到达时，需要更新先入先出队列中队尾位置的数据，更新方法如图5C所示。更新过程首先将队尾指针(12)的值赋予临时指针，并修改队尾指针(12)的位置，而后将新反馈力数据到达时刻记入到临时指针，最后将队首指针(11)的值修改为临时指针的值。 

在步骤9E，进行反馈力渲染刚度的推定，即根据反馈扭矩变化和关节位置变化推算反馈力的渲染刚度。 

以下，利用图6A和图6B对步骤9E执行的反馈力渲染刚度的推定方法进行详细说明。图6A为用来说明实施例涉及的反馈力渲染刚度的推定方法中关节位置的变化情况。图6B为用来说明实施例涉及的反馈力渲染刚度的推定方法中反馈力的变化情况。 

在t＝T_n时刻，反馈力渲染可以推定为 

$k=\frac{{\mathrm{\τ}}_{n-1}-{\mathrm{\τ}}_n}{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_n}---\left(3\right)$

其中：τ_n——T_n时刻的反馈力的大小； 

Δθ_n——T_n时刻关节位置与T_n-1时刻相比的变化量。 

在步骤9F，判断当前力反馈渲染过程是否满足力反馈稳定输出条件(1)，即判断机构阻尼b是否不小于保证稳定输出应当具有的最小机构阻尼b_min。 

当步骤9F确定当前力反馈渲染过程满足力反馈稳定输出条件时，在步骤9H中将反馈扭矩指令利用D/A转换电路输出到直流有刷电机放大器(7)，由直流有刷电机放大器驱动直流有刷电机实现反馈力输出。 

当步骤9F确定当前力反馈渲染过程不满足力反馈稳定输出条件时，在步骤9G中依据步骤9F中得到的最小机构阻尼调整可控式电磁阻尼器阻尼，使机构阻尼变为b>b_min，而后，在步骤9H中将反馈扭矩指令通过直流有刷电机进行输出。 

在步骤9I，通过CAN总线与上位机交互关节位置信息、电机扭矩信息、关节速度信息、设备状态信息。 

根据如上所述的力反馈设备控制方法，可以根据力反馈渲染过程利用可控式电磁阻尼器实时自适应调节机构阻尼，保证力反馈交互过程的稳定。 

此外，由上所述的力反馈设备控制方法可以看出，具备了自主调整能力的力反馈设备控制装置有利于保证力反馈设备实现稳定交互。 

Claims (4)

1.一种可对机构阻尼进行动态调整的反馈力输出变阻尼控制装置，其特征在于：包括： 

可控式电磁阻尼器(3)，用于调节机构关节处运动阻尼，安装于关节转轴末端； 

可控电磁阻尼器驱动单元(4)，用于驱动可控式电磁阻尼器，调节可控式电磁阻尼器的阻尼； 

直流有刷电机放大器(7)，用于驱动安装于机构运动关节处的直流有刷电机，实现关节驱动力的输出； 

运动控制单元(6)，用于采样直流有刷电机编码器信号，采样可控式电磁阻尼器线圈电流，利用CAN总线与上位机通讯，执行力反馈设备控制方法，输出直流有刷电机扭矩控制指令，输出可控式电磁阻尼器阻尼控制指令。 

其中，运动控制单元(6)，包括： 

电源接口电路(67)，是系统的电源入口，对输入电源进行整流滤波，限压，限流，提高系统的安全性和电磁兼容能力； 

电流采样电路(68)，用于完成对可控电磁阻尼器线圈的电流采样； 

驱动隔离电路(61)，提供主驱动电路中开关管所需的隔离电源； 

PWM调理电路(62)，用于提高PWM信号的驱动能力，调理信号能力； 

DSP微处理器(64)，用于执行力反馈设备控制方法； 

D/A转换电路(65)，用于直流有刷电机扭矩控制指令的电压模拟量转换和输出； 

编码器接口电路(66)，用于对光电编码器脉冲进行信号调理，防止计数电路出现误码；CAN通讯接口电路，用于连接通讯线缆，实现与上位机的CAN总线通讯。 

2.根据权利要求1所述的变阻尼控制装置，其特征在于： 

其中，所述可控电磁阻尼器安装于关节连杆(22)转轴的一端，可控电磁阻尼器(3)安装于关节连杆(22)转轴的另一端。 

3.一种对权利要求1中所述的变阻尼控制装置进行力反馈输出控制的方法，其特征在于,包括： 

模块初始化步骤(9A)，用于初始化控制系统参数，配置直流有刷电机参数，配置可控式电磁阻尼器参数； 

电机编码器采样步骤(9C)，用于采样安装于直流有刷电机上的光电编码器的输入信号，计算机构运动关节的位置信息； 

反馈力刷新频率推定步骤(9D)，用于计算力反馈机构反馈力刷新频率； 

最小机构阻尼计算步骤(9E)，用于计算力反馈机构的反馈力渲染刚度； 

可控电磁阻尼器阻尼输出步骤(9G)，用于计算满足力反馈稳定输出条件所需要的最小机构阻尼； 

直流有刷电机扭矩输出步骤(9H)，用于调整阻尼器阻尼输出； 

CAN总线数据解析与发送步骤(9I)，用于与上位机交换关节位置信息、电机扭矩信息、关节速度信息、设备状态信息。 

4.根据权利要求1～2所述的任一项所述的力反馈控制装置和权利要求3所述的力反馈控制方法，其特征在于： 

利用所述的力反馈输出控制的方法，所述的变阻尼控制装置可以实现机构阻尼的自适应调整，降低力反馈系统对反馈力刷新频率的要求。