CN105404156B - 触觉反馈装置及其变阻尼控制方法和应用 - Google Patents
触觉反馈装置及其变阻尼控制方法和应用 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供用于触觉反馈装置及其变阻尼控制方法及应用，防范过操作带来的风险。该触觉反馈装置包括具有n个关节的机械臂，该方法包括：设定笛卡尔空间的阻尼系数，其中Cx,Cy,Cz分别是笛卡尔空间中X轴、Y轴、Z轴的直线方向的阻尼系数，Cθx，Cθy，Cθz绕笛卡尔空间中X轴、Y轴、Z轴的旋转方向的阻尼系数；计算出各关节处的阻尼力矩τi；加上关节摩擦补偿力矩和关节重力补偿力矩，得到各个关节处的合力矩τ，从而得到一个力矩矩阵；控制各关节处的电机根据力矩矩阵输出所需要的驱动力矩。
Description
技术领域
本发明涉及触觉反馈装置及其控制方法。
背景技术
触觉反馈技术自从二十世纪初产生以来一直是科研人员研究的热点对象。在各种主从操作或者远程操作应用中都得到了广泛应用。
在控制系统中，触觉反馈装置必须准确地把触觉反馈装置的位姿传递给被操作端，还需要在必要时降低被操作端的运动速度与距离，从而增加操作的稳定性和减小风险。如在MicroHand A等手术机器人控制系统中引入了比例控制，它具有3：1和5：1两种主从映射比例，其中前者在常规操作下使用后者在精细操作下使用。该种控制方法虽然能够规避风险，但是不能解决操作时轻微抖动造成的细微影响，且当操作者由于失误等原因造成较大速度与位移的行为(“过操作”)并没有进行风险控制，其只能减小过操作的程度，而不能阻止和调整这种过操作行为。
发明内容
本发明的目的在于提供一种触觉反馈装置及其变阻尼控制方法及应用，以防范过操作带来的风险。
一种触觉反馈装置包括控制设定输入端，控制器、具有n个关节的机械臂，每个所述关节设有电机，所述电机分别与控制器耦接，
所述控制器接收从所述控制设定输入端设定的笛卡尔空间的阻尼系数Cx,Cy,Cz，Cθx，Cθy，Cθz，其中Cx,Cy,Cz分别是笛卡尔空间中X轴、Y轴、Z轴的直线方向的阻尼系数，Cθx，Cθy，Cθz绕笛卡尔空间中X轴、Y轴、Z轴的旋转方向的阻尼系数；
所述控制器根据所述笛卡尔空间的阻尼系数计算出各关节的阻尼力矩τi(i＝1到n的整数)；
所述控制器根据所述各关节的阻尼力矩，各关节的摩擦补偿力矩和各关节的重力补偿力矩得到各个关节处的合力矩τ，从而得到合力矩矩阵；
所述控制器控制每个电机根据合力矩矩阵输出驱动力矩，驱动电机所连接的关节。
所述的触觉反馈装置的是实施例中，所述笛卡尔空间的阻尼系数以使所述机械臂的阻尼在笛卡尔空间中各向同性。
所述的触觉反馈装置的是实施例中，各所述的关节还设置有位置传感器，所述位置传感器用于检测相连的关节在关节空间中的关节速度所述控制器根据所述关节速度并由以下公式获得各关节的阻尼力矩τi：
其中，τi是第i关节的阻尼力矩，i是1到n的整数，J是该触觉反馈装置的雅克比矩阵，JT是该触觉反馈装置的雅克比矩阵的转置矩阵，Fx、Fy、Fz、Nx、Ny、Nz分别为笛卡尔空间中的相对于X轴、Y轴、Z轴的平移力和旋转力，Vx,Vy,Vz分别是笛卡尔空间X轴、Y轴、Z轴方向的线速度，ωx,ωy,ωz是笛卡尔空间中相对于X轴、Y轴、Z轴的旋转角速度。
所述的触觉反馈装置的是实施例中，所述控制设定输入端包括多个预设输入单元，每个输入单元对应一个预设在控制器中的笛卡尔空间的阻尼系数，以适配所述电机输出不同的驱动力矩。
所述触觉反馈装置在手术机器人医生端的主操作手上的应用。
一种用于任一所述的触觉反馈装置的变阻尼控制方法，该方法包括：
(1)通过所述控制设定输入端设定笛卡尔空间的阻尼系数Cx,Cy,Cz，Cθx，Cθy，Cθz；
(2)所述控制器接收从所述控制设定输入端设定的笛卡尔空间的阻尼系数Cx,Cy,Cz，Cθx，Cθy，Cθz,并据此计算出各关节的阻尼力矩τi(i＝1…n)；
(3)所述控制器，根据所述各关节的阻尼力矩τi，各关节的摩擦补偿力矩τf和各关节的重力补偿力矩τG，得到各个关节处的合力矩τ，从而得到合力矩矩阵；
(4)所述控制器控制每个电机根据合力矩矩阵输出驱动力矩，驱动电机所连接的关节。
所述的变阻尼控制方法的实施例中，所述笛卡尔空间的阻尼系数
所述的变阻尼控制方法的实施例中，各关节中位置传感器检测各关节在各关节空间中的关节速度所述控制器根据所述关节速度由以下公式获得各关节的阻尼力矩：
其中，τi是第i关节的阻尼力矩，i是1到n的整数，J是该触觉反馈装置的雅克比矩阵，JT是该触觉反馈装置的雅克比矩阵的转置矩阵，Fx、Fy、Fz、Nx、Ny、Nz分别为笛卡尔空间中的相对于X轴、Y轴、Z轴的平移力和旋转力，Vx,Vy,Vz分别是笛卡尔空间X轴、Y轴、Z轴方向的线速度，ωx,ωy,ωz是笛卡尔空间中相对于X轴、Y轴、Z轴的旋转角速度。
所述的变阻尼控制方法的实施例中，通过所述控制设定输入端选择预设的阻尼系数，以设定所述笛卡尔空间的阻尼系数。
在本发明的实施例中，操作者通过对触觉反馈装置的操作臂施加操作力矩来克服电机产生的阻尼力矩使得操作臂产生运动，由于电机提供的阻尼的存在，因此可以把操作速度控制在一定范围内，防止过操作，也能防止轻微抖动造成的不利影响，从而确保操作安全。
附图说明
本发明的上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变得更加明显，其中：
图1为本发明一实施例中触觉反馈装置的机构原理示意图；
图2为本发明一实施例中用于触觉反馈装置的控制方法的流程图；
图3为本发明一实施例中变阻尼控制方法的方块图；
图4为本发明一实施例中力矩与速度的变化曲线图。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，在以下的描述中阐述了更多的细节以便于充分理解本发明，但是本发明显然能够以多种不同于此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下根据实际应用情况作类似推广、演绎，因此不应以此具体实施例的内容限制本发明的保护范围。
如图1所示，在本发明一实施例中，触觉反馈装置是具有6个关节的机械臂，其包括基座1，关节10、11、12、13、14、15，以及关节10、11、12、13、14、15连接的连杆，还包括操作端16即末端，实际操作时操作者控制触觉反馈装置操作端，对6个自由度的机械臂进行操作。在本发明的其他实施例中，机械臂的关节或自由度不限于为6个。
根据本发明的用于触觉反馈装置的变阻尼控制方法包括以下步骤：
设定笛卡尔空间的阻尼系数Cx,Cy,Cz，Cθx，Cθy，Cθz，其中Cx,Cy,Cz分别是笛卡尔空间中X轴、Y轴、Z轴的直线方向的阻尼系数，Cθx，Cθy，Cθz绕笛卡尔空间中X轴、Y轴、Z轴的旋转方向的阻尼系数；
计算出各关节处的阻尼力矩τi，i＝1至6的整数，阻尼力矩的大小不仅和阻尼系数相关还与操作速度有关系，其按照公式来表达，其中ci为该关节在关节空间的阻尼系数，为该关节处的转速，转速越大，阻尼力矩越大，阻尼系数越大，阻力力矩也越大；
关节空间的电机输出力矩是由重力补偿力矩、摩擦力矩、阻尼力矩等组成的合力矩，其可以通过下述公式来表示:
τf+τG+τi＝τ
因此，加上各关节的摩擦补偿力矩和各关节的重力补偿力矩，得到各个关节处的合力矩τ，从而得到一个合力矩矩阵，本发明对重力补偿力矩、摩擦力矩的获取方法没有特别的限制，本领域技术人员可以根据现有技术知悉；
最后，控制器控制各关节处的电机根据合力矩矩阵输出所需要的驱动力矩。
当操作速度增大的时候其也能够增大阻尼力矩，这个特性对于触觉反馈装置操作来说是有益的，这样能防止操作过程中由于操作失误等原因导致操作速度突然增大而增加风险，根据上述速度与阻尼力矩的特性可以防止危险的发生，及时地调整操作速度。
根据本发明的方法，触觉反馈装置的使用流程如下，首先为包括该触觉反馈装置的机器人整机开机完成初始化，操作者根据实际需要选择主从机器人系统的控制模式，选择方法可以使用脚踏、控制面板和操作手开关等设定方法。操作者通过对操作端施加操作力矩来克服阻尼力矩使得机械臂产生运动，该阻尼力矩由各关节的电机提供，由于阻尼的存在，因此可以把操作速度控制在一定范围内，从而确保操作安全。
在本发明一实施例中，对触觉反馈装置的控制设定包括选择设定触觉反馈装置的操作模式，每种操作模式对应不同笛卡尔空间的阻尼系数，各关节电机输出不同的驱动力矩。例如，对触觉反馈装置可以设定3种操作模式，分别为普通操作Mod1、精细操作Mod2和极精细操作模式Mod3，这3种操作模式对应了笛卡尔空间中的3种阻尼系数(c普通<c精细<c极精细)。图4示出了三种模式下，由于阻尼的存在，力矩与速度的变化曲线。
图2示出了本发明的一实施例中，阻尼控制方法的功能流程图，在该实施例中，触觉反馈装置为手术机器人系统的医生端的主操作手。首先机器人开机初始化完成，然后，操作者从所述控制设定输入端选择普通操作模式、精细操作模式或极精细操作模式中的一种操作模式，其中对应着普通操作模式、精细操作模式或极精细操作模式的阻尼系数已经预设置在触觉反馈装置的控制器中；操作者选择具体的操作模式之后，接下来操作机械臂的操作端，控制器控制各关节的电机按照设定的阻尼系数和关节速度产生操作阻力(阻力力矩)，机械臂因应操作者的输入力以及电机产生的操作阻力输出运动。电机输出的阻尼力矩的大小不仅和阻尼系数有关还和操作速度有关，阻力与操作速度呈现函数关系，因此在操作速度增大的过程中，阻力也能够相应增大，能够防止或者减少过操作的量。如图4所示，可以看到当速度v增大时阻尼力矩τi也是相应的增大，且当阻尼系数较大时函数线具有较大的斜率，这对于触觉反馈装置的控制的表现效果来说，当切换到阻尼系数较大的操作模式时，增加操作速度会使系统提供相比阻尼系数小的操作模式更大的操作阻力，能够更好的提供操作稳定性与防止过操作的问题。因此，在具有触觉反馈装置的主从控制操作控制中，能够通过改变触觉反馈装置的阻尼系数增加操作触觉反馈装置的机械臂的阻力，以达到减缓操作速度增强操作稳定性的目的，对于操作中可能发生的过操作，根据阻尼力矩与速度的关系也可以得到解决。
在优选的实施例中，设定所述笛卡尔空间的阻尼系数
该设定可以使得在操作端在笛卡尔空间中的各向速度相同(Vx＝Vy＝Vz、ωx＝ωy＝ωz，Vx,Vy,Vz分别是笛卡尔空间X轴、Y轴、Z轴方向的线速度，ωx,ωy,ωz是笛卡尔空间中相对于X轴、Y轴、Z轴的旋转角速度)时，各向阻力相等，即Fx、Fy、Fz相等，Nx、Ny、Nz相等，Fx、Fy、Fz、Nx、Ny、Nz分别为笛卡尔空间中的相对于X轴、Y轴、Z轴的平移力和旋转力，因此可以确保在笛卡尔空间中的阻尼各向同性。这能防止在实际控制时会出现笛卡尔空间中力各向异性的问题，其导致操作者沿着不同方向施力时会出现不同的阻力，尤其沿着斜线运动时可能会出现偏离目标轨迹的现象和影响操作精度的情况。
在本发明一实施例中，各关节还设有位置传感器，例如编码盘。通过各关节中的位置传感器来获得各关节在关节空间中的关节速度i代表第i关节，再由以下公式求得各关节的阻尼力矩：
其中，τi是第i关节的阻尼力矩，i是1到n的整数，n在图1所示的实施例中为6，J是该触觉反馈装置的雅克比矩阵，JT是该触觉反馈装置的雅克比矩阵的转置矩阵。
图3示出了本发明的一实施例中，触觉反馈装置的变阻尼控制方法的流程图，其首先是根据操作者选择的操作模式对应的阻尼系数，并根据公式(2)得到笛卡尔空间的阻尼力矩然后由前述公式(1)可以确定各个关节的阻尼力矩τi，并结合各关节的摩擦补偿力矩τf以及重力补偿力矩τG得到各关节的合力矩τ，从而得到合力矩矩阵。最后，根据合力矩矩阵各关节的电机输出驱动力矩。
本发明的各实施例适合于但不限于是手术机器人的医生端的主操作手。
本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化及修饰，均落入本发明权利要求所界定的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种触觉反馈装置，包括控制设定输入端，控制器、具有n个关节的机械臂，每个所述关节设有电机，所述电机分别与控制器耦接，
所述控制器接收从所述控制设定输入端设定的笛卡尔空间的阻尼系数Cx,Cy,Cz，Cθx，Cθy，Cθz，其中Cx,Cy,Cz分别是笛卡尔空间中X轴、Y轴、Z轴的直线方向的阻尼系数，Cθx，Cθy，Cθz绕笛卡尔空间中X轴、Y轴、Z轴的旋转方向的阻尼系数；
所述控制器，根据所述笛卡尔空间的阻尼系数计算出各关节的阻尼力矩τi,其中，i＝1到n的整数；
所述控制器，根据所述各关节的阻尼力矩，各关节的摩擦补偿力矩和各关节的重力补偿力矩，得到各个关节处的合力矩τ，从而得到合力矩矩阵；
所述控制器控制每个电机根据合力矩矩阵输出驱动力矩，驱动电机所连接的关节。
2.如权利要求1所述的触觉反馈装置，其特征在于，所述笛卡尔空间的阻尼系数以使所述机械臂的阻尼在笛卡尔空间中各向同性。
3.如权利要求1所述的触觉反馈装置，其特征在于，各所述的关节还设置有位置传感器，所述位置传感器用于检测相连的关节在关节空间中的关节速度所述控制器根据所述关节速度并由以下公式获得各关节的阻尼力矩τi：
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其中，τi是第i关节的阻尼力矩，i是1到n的整数，J是该触觉反馈装置的雅克比矩阵，JT是该触觉反馈装置的雅克比矩阵的转置矩阵，Fx、Fy、Fz、Nx、Ny、Nz分别为笛卡尔空间中的相对于X轴、Y轴、Z轴的平移力和旋转力，Vx,Vy,Vz分别是笛卡尔空间X轴、Y轴、Z轴方向的线速度，ωx,ωy,ωz是笛卡尔空间中相对于X轴、Y轴、Z轴的旋转角速度。
4.如权利要求1所述的触觉反馈装置，其特征在于，所述控制设定输入端包括多个预设输入单元，每个输入单元对应一个预设在控制器中的笛卡尔空间的阻尼系数，以适配所述电机输出不同的驱动力矩。
5.如权利要求1所述触觉反馈装置，在手术机器人医生端的主操作手上应用。
6.一种用于权利要求1-4任一项所述的触觉反馈装置的变阻尼控制方法，该方法包括：
(1)通过所述控制设定输入端设定笛卡尔空间的阻尼系数Cx,Cy,Cz，Cθx，Cθy，Cθz；
(2)所述控制器接收从所述控制设定输入端设定的笛卡尔空间的阻尼系数Cx,Cy,Cz，Cθx，Cθy，Cθz,并据此计算出各关节的阻尼力矩τi；
(3)所述控制器，根据所述各关节的阻尼力矩τi，各关节的摩擦补偿力矩τf和各关节的重力补偿力矩τG，得到各个关节处的合力矩τ，从而得到合力矩矩阵；
(4)所述控制器控制每个电机根据合力矩矩阵输出驱动力矩，驱动电机所连接的关节。
7.如权利要求6所述的变阻尼控制方法，其特征在于，通过所述控制设定输入端选择预设的阻尼系数，以设定所述笛卡尔空间的阻尼系数。
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN105404156A (zh) | 2016-03-16 |
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