CN109571475B - 一种力触觉控制系统及机器人 - Google Patents

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CN109571475B CN201811485940.9A CN201811485940A CN109571475B CN 109571475 B CN109571475 B CN 109571475B CN 201811485940 A CN201811485940 A CN 201811485940A CN 109571475 B CN109571475 B CN 109571475B
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Abstract

本发明提供的力触觉控制系统及机器人，通过传感器对执行器的数据采集确定角加速度，根据角加速度得到执行器的控制量，对执行器的精确控制，实现力触觉交互操作。

Description

一种力触觉控制系统及机器人
技术领域
本发明涉及自动控制领域，特别涉及一种力触觉控制系统及机器人。
背景技术
人类在19世纪发明了电话，实现了听觉的传递，在20世纪，摄像机和电视的问世使视觉的传递成为可能，在21世纪，利用机械装置、执行器和控制方法，还能够实现触觉的传递。人类认识自然和改造自然的过程中，往往只是对身边的物体做功，并在操作过程中将作用力施加在物体上并随时感受来自物体的反作用力。力触觉交互系统能够将这一过程中的人与被操作的物体分离开，即操作者和被操作的物体可能是分离的。系统将操作者的运动传递到被操作的物体上，并在二者之间实现作用力与反作用力的关系，在操作者与被操作的物体之间形成一个物理媒介。要实现这一功能通常需要力传感器测量执行器与操作者、执行器与被操作的物体之间的作用力。然而，力传感器不仅使系统成本增加、并且由于测量精度、带宽、安装尺寸、重量等限制，很难实现小型、轻量的力触觉交互装置。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供了一种力触觉控制系统及机器人，可以方便的进行力触觉交互。
第一方面，本发明提供一种力触觉控制系统，包括：
至少包括两组执行机构，所述执行机构具有相应的执行器，所述执行器的转子同轴安装传感器，所述传感器采用测速传感器或测角传感器；
控制单元，分别与所述执行器和所述传感器电连接，用于根据所述传感器的检测数据确定所述执行器的角加速度，利用所述角加速度确定所述执行器的控制量。
可选地，所述控制单元采用ARM芯片、数字信号处理DSP处理器、单片机或现场可编程门阵列FPGA。
可选地，所述测速传感器包括测速发电机，所述执行器采用直流力矩电机，所述控制单元采用ARM芯片，利用ARM芯片上的A/D转换模块，在外围设计基准电源、仪表放大器构成测速传感器接口，利用H桥电路驱动所述执行器。
可选地，所述测角传感器采用增量式光电编码器，所述执行器采用直流力矩电机，所述控制单元采用ARM芯片，利用ARM芯片上的定时器模块，在外围设计上拉电阻采集增量式光电编码器的电平信号。
可选地，所述测角传感器采用SPI接口绝对值编码器，所述执行器采用永磁同步电机，所述控制单元采用ARM芯片，利用ARM芯片上的SPI接口或普通I/O口，在外围设计电平转换电路对SPI接口绝对值编码器数据进行读取，利用ARM芯片上的定时器模块产生3组PWM信号，结合三个半桥电路生成三路正弦驱动电流驱动所述执行器。
可选地，所述控制单元包括多个控制子单元，所述控制子单元与所述执行机构一一对应安装，所述控制子单元之间采用总线连接。
可选地，所述总线采用RS-485总线、RS-422总线、CAN总线或以太网。
可选地，所述控制单元被配置执行以下程序：
预先在主函数中定义一个死循环，所述死循环利用一个变量作为标志位判断是否退出循环，利用定时器每隔固定时间中断一次循环，定义第k次进入定时器中断服务函数为k时刻，在k时刻之前一次进入定时器中断服务函数称之为k-1时刻；
S101、利用带有前馈的离散微分器k时刻执行器的角速度进行处理得到执行器的角加速度：
Figure BDA0001894484660000021
Figure BDA0001894484660000022
Figure BDA0001894484660000023
Figure BDA0001894484660000024
其中，Ts为定时器的中断周期，
Figure BDA0001894484660000031
是执行器i的速度传感器在k时刻读取的传感器数据，
Figure BDA0001894484660000032
是k时刻执行器i对应的速度传感器读数进行低通滤波的值，
Figure BDA0001894484660000033
和
Figure BDA0001894484660000034
为执行器i的角速度进行微分计算的中间变量，
Figure BDA0001894484660000035
是执行器i在k时刻的速度传感器读数的微分器输出，
Figure BDA0001894484660000036
和
Figure BDA0001894484660000037
为执行器i角速度微分器的增益，均为大于0的常数；
S102、对在k-1时刻输出给执行器i的执行器驱动器的控制量ui(k-1)进行滤波；
Figure BDA0001894484660000038
其中，g是滤波器的增益，
Figure BDA0001894484660000039
是k时刻计算得到的ui(k-1)低通滤波的值；
S103、计算得到一个中间变量τi(k)，中间变量τi(k)包含执行器i在k时刻受到外界作用力信息，所述中间变量τi(k)为：
Figure BDA00018944846600000310
其中，J＝max{J1,J2,...,Jn}是所有执行器的等价转动惯量中最大的一个；B＝max{B1,B2,...,Bn}是所有执行器的等价阻尼中最大的一个，Ji和Bi(i＝1,2,…,n)分别表示执行器i的等价转动惯量和等价阻尼；
S104、计算执行器角速度的积分值
Figure BDA00018944846600000311
所述积分值
Figure BDA00018944846600000312
为：
Figure BDA00018944846600000313
其中，
Figure BDA00018944846600000317
为通过传感器读取的k时刻执行器角速度，
Figure BDA00018944846600000315
为k时刻执行器角速度的积分值；
S105、利用下列关系计算得到k时刻输出给执行器i的执行器驱动器的控制量；
Figure BDA00018944846600000316
其中，K1和K2分别为位置和速度的增益，均为大于0的常数。
可选地，所述控制单元被配置执行以下程序：
预先在主函数中定义一个死循环，所述死循环利用一个变量作为标志位判断是否退出循环，利用定时器每隔固定时间中断一次循环，定义第k次进入定时器中断服务函数为k时刻，在k时刻之前一次进入定时器中断服务函数称之为k-1时刻；
S101、在k时刻获取的使用光电编码器测量的角度值θ(k)，利用带有前馈的离散微分器对角度值θ(k)进行处理得到k时刻执行器的角速度；
Figure BDA0001894484660000041
Figure BDA0001894484660000042
Figure BDA0001894484660000043
Figure BDA0001894484660000044
其中，Ts为定时器的中断周期，
Figure BDA0001894484660000045
是k时刻执行器i对应的位置传感器读数进行低通滤波的值，
Figure BDA0001894484660000046
和
Figure BDA0001894484660000047
为执行器i的位置传感器读数进行微分计算的中间变量，
Figure BDA0001894484660000048
是执行器i在k时刻的位置传感器读数的微分器输出，
Figure BDA0001894484660000049
和
Figure BDA00018944846600000410
为执行器i位置传感器读数微分器的增益，均为大于0的常数；
S102、利用带有前馈的离散微分器k时刻执行器的角速度进行处理得到执行器的角加速度：
Figure BDA00018944846600000411
Figure BDA00018944846600000412
Figure BDA00018944846600000413
S103、对在k-1时刻输出给执行器i的执行器驱动器的控制量ui(k-1)进行滤波；
Figure BDA00018944846600000414
其中，g是滤波器的增益，
Figure BDA00018944846600000415
是k时刻计算得到的ui(k-1)低通滤波的值；
S104、计算得到一个中间变量τi(k)，中间变量τi(k)包含执行器i在k时刻受到外界作用力信息，所述中间变量τi(k)为：
Figure BDA00018944846600000416
其中，J＝max{J1,J2,...,Jn}是所有执行器的等价转动惯量中最大的一个；B＝max{B1,B2,...,Bn}是所有执行器的等价阻尼中最大的一个，Ji和Bi(i＝1,2,…,n)分别表示执行器i的等价转动惯量和等价阻尼；
S105、利用下列关系计算得到k时刻输出给执行器i的执行器驱动器的控制量；
Figure BDA0001894484660000051
其中，K1和K2分别为位置和速度的增益，均为大于0的常数。
第二方面，本发明提供一种机器人，具有如上述的力触觉控制系统。
从以上技术方案可以看出，本发明实施例具有以下优点：
本发明提供的力触觉控制系统及机器人，通过传感器对对执行器的数据采集确定角加速度，根据角加速度得到执行器的控制量，对执行器的精确控制，实现力触觉交互操作。
附图说明
图1是本发明实施例中提供的力触觉控制系统的结构框图；
图2是本发明实施例中提供的力触觉控制系统中集中式控制方案的结构框图；
图3是本发明实施例中提供的力触觉控制系统中分布式控制方案的控制子单元的结构框图；
图4是本发明实施例中提供的力触觉控制系统中分布式控制方案的控制子单元之间的连接框图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的内容以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
结合图1所示，本发明提供一种力触觉控制系统，包括：
至少包括两组执行机构，所述执行机构具有相应的执行器，执行器产生的力矩通过传动机构作用在执行机构上，系统中有n个执行机构(n>＝2)，每个执行机构都经过传动机构与执行器的转子相连接，系统中共有n个传动机构和n个执行器，传动机构可以采用齿轮组，执行器的转子同轴安装传感器，传感器采用测速传感器或测角传感器，具体地，执行器可以采用电机，电机的转子安装传感器，相应地为了驱动电机还包括电机驱动器，本领域普通技术人员应当了解；
控制单元，分别与所述执行器和所述传感器电连接，用于根据所述传感器的检测数据确定所述执行器的角加速度，利用所述角加速度确定所述执行器的控制量，控制单元采用ARM芯片、数字信号处理DSP处理器、单片机或现场可编程门阵列FPGA，当采用测速传感器时候通过一次微分器估算角加速度即可，当采用测角传感器时需要使用两次微分器估算角速度和角加速度。
控制单元设置在控制板上，控制板上还设置有相应的传感器接口和电极驱动器，传感器通过传感器接口与控制单元进行数据传输，控制单元通过执行器驱动器控制执行器的运行。
结合图2所示，一种实施例中，测速传感器包括测速发电机，执行器采用直流力矩电机，所述控制单元采用ARM芯片，利用ARM芯片上的A/D转换模块，在外围设计基准电源、仪表放大器构成测速传感器接口，利用H桥电路驱动所述执行器。
结合图2所示，另一种实施例中，所述测角传感器采用增量式光电编码器，所述执行器采用直流力矩电机，所述控制单元采用ARM芯片，利用ARM芯片上的定时器模块，在外围设计上拉电阻采集增量式光电编码器的电平信号。
结合图2所示，再一种实施例中，所述测角传感器采用SPI接口绝对值编码器，所述执行器采用永磁同步电机，所述控制单元采用ARM芯片，利用ARM芯片上的SPI接口或普通I/O口，在外围设计电平转换电路对SPI接口绝对值编码器数据进行读取，利用ARM芯片上的定时器模块产生3组PWM信号，结合三个半桥电路生成三路正弦驱动电流驱动所述执行器。
在另一个实施例中，测角传感器采用绝对值编码器，所述执行器采用永磁同步电机，所述控制单元采用ARM芯片，利用ARM芯片上与编码器对应的外设接口或普通I/O口，在外围设计电平转换电路对绝对值编码器数据进行读取，利用ARM芯片上的定时器模块产生3组PWM信号，结合三个半桥电路生成三路正弦驱动电流驱动所述执行器。
需要说明的是，集中式控制电路主要特点在于只有一块控制板，控制板上包括可编程的控制单元、传感器接口以及执行器驱动器，具体设计可根据传感器和执行器种类有不同的电路表达形式。当执行器和传感器数量超过可编程控制器片上资源数量时(如有20个测速发电机信号需要读取、而ARM芯片只有16路A/D转换)，也可以在一块控制板上通过增加可编程芯片的方法进行接口的扩展，也可以采用分布式控制方案。
结合图3和4所示，采用分布式控制方案时，所述控制单元包括多个控制子单元，所述控制子单元与所述执行机构一一对应安装，当然，这里的执行机构使多自由度时可以对应多个执行器，可以通过增加控制子单元的传感器接口和执行器驱动器的数量即可，对于执行器控制的算法相同，控制子单元之间采用总线连接，控制子单元具有用于连接总线通信接口，总线可以采用RS-485总线、CAN总线或以太网，对此不作限定。
控制算法即可实现多个执行器之间的力触觉交互，操作者可任意选择一个执行机构作为主机进行操作，其动作可传递至其余n-1个执行机构上；其余n-1个执行机构与其他操作者或者被操作的物体之间相互作用的力可以在本装置和算法的作用下传递过来。
下面分别针对采用测速传感器和测角传感器的控制算法进行介绍：
1、当采用测速传感器时，所述控制单元被配置执行以下程序：
预先在主函数中定义一个死循环，所述死循环利用一个变量作为标志位判断是否退出循环，利用定时器每隔固定时间中断一次循环，定义第k次进入定时器中断服务函数为k时刻，在k时刻之前一次进入定时器中断服务函数称之为k-1时刻；
S101、利用带有前馈的离散微分器k时刻执行器的角速度进行处理得到执行器的角加速度：
Figure BDA0001894484660000081
Figure BDA0001894484660000082
Figure BDA0001894484660000083
Figure BDA0001894484660000084
其中，Ts为定时器的中断周期，
Figure BDA00018944846600000820
是执行器i的速度传感器在k时刻读取的传感器数据，
Figure BDA0001894484660000086
是k时刻执行器i对应的速度传感器读数进行低通滤波的值，
Figure BDA0001894484660000087
和
Figure BDA0001894484660000088
为执行器i的角速度进行微分计算的中间变量，
Figure BDA0001894484660000089
是执行器i在k时刻的速度传感器读数的微分器输出，
Figure BDA00018944846600000810
和
Figure BDA00018944846600000811
为执行器i角速度微分器的增益，均为大于0的常数；
S102、对在k-1时刻输出给执行器i的执行器驱动器的控制量ui(k-1)进行滤波；
Figure BDA00018944846600000812
其中，g是滤波器的增益，
Figure BDA00018944846600000813
是k时刻计算得到的ui(k-1)低通滤波的值；
S103、计算得到一个中间变量τi(k)，中间变量τi(k)包含执行器i在k时刻受到外界作用力信息，所述中间变量τi(k)为：
Figure BDA00018944846600000814
其中，J＝max{J1,J2,...,Jn}是所有执行器的等价转动惯量中最大的一个；B＝max{B1,B2,...,Bn}是所有执行器的等价阻尼中最大的一个，Ji和Bi(i＝1,2,…,n)分别表示执行器i的等价转动惯量和等价阻尼；
S104、计算执行器角速度的积分值
Figure BDA00018944846600000815
所述积分值
Figure BDA00018944846600000816
为：
Figure BDA00018944846600000817
其中，
Figure BDA00018944846600000818
为通过传感器读取的k时刻执行器角速度，
Figure BDA00018944846600000819
为k时刻执行器角速度的积分值；
S105、利用下列关系计算得到k时刻输出给执行器i的执行器驱动器的控制量；
Figure BDA0001894484660000091
其中，K1和K2分别为位置和速度的增益，均为大于0的常数。
可选地，所述计算执行器角速度的积分值
Figure BDA0001894484660000092
包括：
采用欧拉法计算执行器角速度的积分值
Figure BDA0001894484660000093
可选地，还包括：
判断是否结束控制，若是，则通过置位标志位的方式跳出死循环，结束控制；若否，则不置位标志位，等待下次定时器中断。
可选地，所述判断是否结束控制，若是，则通过置位标志位的方式跳出死循环，结束控制；若否，则不置位标志位，等待下次定时器中断之前，还包括：
接收其他控制电路发送的传感器数据或向其他控制电路发送传感器数据。
可选地，所述利用带有前馈的离散微分器k时刻执行器的角速度进行处理得到执行器的角加速度之前，还包括：
判断传感器类型，若传感器类型为速度传感器则执行后续步骤。
可选地，所述滤波器为一阶低通滤波器、二阶高阶低通滤波器、高阶低通滤波器、巴特沃斯滤波器、IIR数字滤波器，执行器可以采用电机、电液伺服机构、液压驱动机构、超声电机，对此不做限定。
2、当采用测角传感器时，所述控制单元被配置执行以下程序：
预先在主函数中定义一个死循环，所述死循环利用一个变量作为标志位判断是否退出循环，利用定时器每隔固定时间中断一次循环，定义第k次进入定时器中断服务函数为k时刻，在k时刻之前一次进入定时器中断服务函数称之为k-1时刻；
S101、在k时刻获取的使用光电编码器测量的角度值θ(k)，利用带有前馈的离散微分器对角度值θ(k)进行处理得到k时刻执行器的角速度；
Figure BDA0001894484660000101
Figure BDA0001894484660000102
Figure BDA0001894484660000103
Figure BDA0001894484660000104
其中，Ts为定时器的中断周期，
Figure BDA0001894484660000105
是k时刻执行器i对应的位置传感器读数进行低通滤波的值，
Figure BDA0001894484660000106
和
Figure BDA0001894484660000107
为执行器i的位置传感器读数进行微分计算的中间变量，
Figure BDA0001894484660000108
是执行器i在k时刻的位置传感器读数的微分器输出，
Figure BDA0001894484660000109
和
Figure BDA00018944846600001010
为执行器i位置传感器读数微分器的增益，均为大于0的常数；
S102、利用带有前馈的离散微分器k时刻执行器的角速度进行处理得到执行器的角加速度：
Figure BDA00018944846600001011
Figure BDA00018944846600001012
Figure BDA00018944846600001013
S103、对在k-1时刻输出给执行器i的执行器驱动器的控制量ui(k-1)进行滤波；
Figure BDA00018944846600001014
其中，g是滤波器的增益，
Figure BDA00018944846600001015
是k时刻计算得到的ui(k-1)低通滤波的值；
S104、计算得到一个中间变量τi(k)，中间变量τi(k)包含执行器i在k时刻受到外界作用力信息，所述中间变量τi(k)为：
Figure BDA00018944846600001016
其中，J＝max{J1,J2,...,Jn}是所有执行器的等价转动惯量中最大的一个；B＝max{B1,B2,...,Bn}是所有执行器的等价阻尼中最大的一个，Ji和Bi(i＝1,2,…,n)分别表示执行器i的等价转动惯量和等价阻尼；
S105、利用下列关系计算得到k时刻输出给执行器i的执行器驱动器的控制量；
Figure BDA00018944846600001017
其中，K1和K2分别为位置和速度的增益，均为大于0的常数。
可选地，所述判断是否结束控制，若是，则通过置位标志位的方式跳出死循环，结束控制；若否，则不置位标志位，等待下次定时器中断之前，还包括：
接收其他控制电路发送的传感器数据或向其他控制电路发送传感器数据。
可选地，所述在k时刻获取的使用光电编码器测量的角度值θ(k)，利用带有前馈的离散微分器对角度值θ(k)进行处理得到k时刻执行器的角速度之前，还包括：
判断传感器类型，若传感器类型为位置传感器则执行后续步骤。
相应地，本发明提供一种机器人，具有如上述的力触觉控制系统。
本发明提供的力触觉控制系统及机器人，通过传感器对对执行器的数据采集确定角加速度，根据角加速度得到执行器的控制量，对执行器的精确控制，实现力触觉交互操作。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：只读存储器(ROM，Read Only Memory)、随机存取存储器(RAM，RandomAccess Memory)、磁盘或光盘等。
以上对本发明所提供的一种力触觉控制系统及机器人进行了详细介绍，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种力触觉控制系统，其特征在于，包括：
至少包括两组执行机构，所述执行机构具有相应的执行器，所述执行器的转子同轴安装传感器，所述传感器采用测速传感器或测角传感器；
控制单元，分别与所述执行器和所述传感器电连接，用于根据所述传感器的检测数据确定所述执行器的角加速度，利用所述传感器的检测数据和所述角加速度确定所述执行器的控制量；
当所述传感器采用测速传感器时，所述控制单元被配置执行以下程序：
预先在主函数中定义一个死循环，所述死循环利用一个变量作为标志位判断是否退出循环，利用定时器每隔固定时间中断一次循环，定义第k次进入定时器中断服务函数为k时刻，在k时刻之前一次进入定时器中断服务函数称之为k-1时刻；
S101、利用带有前馈的离散微分器对k时刻执行器的角速度进行处理，得到执行器的角加速度：
Figure FDA0003011479420000011
Figure FDA0003011479420000012
Figure FDA0003011479420000013
Figure FDA0003011479420000014
其中，Ts为定时器的中断周期，
Figure FDA0003011479420000015
是执行器i的速度传感器在k时刻读取的传感器数据，
Figure FDA0003011479420000016
是k时刻执行器i对应的速度传感器读数进行低通滤波的值，
Figure FDA00030114794200000112
和
Figure FDA00030114794200000113
为执行器i的角速度进行微分计算的中间变量，
Figure FDA0003011479420000017
是执行器i在k时刻的速度传感器读数的微分器输出，
Figure FDA0003011479420000018
和
Figure FDA0003011479420000019
为执行器i角速度微分器的增益，均为大于0的常数；
S102、对在k-1时刻输出给执行器i的执行器驱动器的控制量ui(k-1)进行滤波；
Figure FDA00030114794200000110
其中，g是滤波器的增益，
Figure FDA00030114794200000111
是k时刻计算得到的ui(k-1)低通滤波的值；
S103、计算得到一个中间变量τi(k)，中间变量τi(k)包含执行器i在k时刻受到外界作用力信息，所述中间变量τi(k)为：
Figure FDA0003011479420000021
其中，J＝max{J1,J2,...,Jn}是所有执行器的等价转动惯量中最大的一个；B＝max{B1,B2,...,Bn}是所有执行器的等价阻尼中最大的一个，Ji和Bi(i＝1,2,…,n)分别表示执行器i的等价转动惯量和等价阻尼；
S104、计算执行器角速度的积分值
Figure FDA0003011479420000022
所述积分值
Figure FDA0003011479420000023
为：
Figure FDA0003011479420000024
其中，
Figure FDA0003011479420000025
为通过传感器读取的k时刻执行器角速度，
Figure FDA0003011479420000026
为k时刻执行器角速度的积分值；
S105、利用下列关系计算得到k时刻输出给执行器i的执行器驱动器的控制量；
Figure FDA0003011479420000027
其中，K1和K2分别为位置和速度的增益，均为大于0的常数；
当所述传感器采用测角传感器时，所述控制单元被配置执行以下程序：
预先在主函数中定义一个死循环，所述死循环利用一个变量作为标志位判断是否退出循环，利用定时器每隔固定时间中断一次循环，定义第k次进入定时器中断服务函数为k时刻，在k时刻之前一次进入定时器中断服务函数称之为k-1时刻；
S101、在k时刻获取的使用光电编码器测量的角度值θ(k)，利用带有前馈的离散微分器对角度值θ(k)进行处理得到k时刻执行器的角速度；
Figure FDA0003011479420000028
Figure FDA0003011479420000029
Figure FDA00030114794200000210
Figure FDA0003011479420000031
其中，Ts为定时器的中断周期，
Figure FDA0003011479420000032
是k时刻执行器i对应的位置传感器读数进行低通滤波的值，
Figure FDA0003011479420000033
和
Figure FDA0003011479420000034
为执行器i的位置传感器读数进行微分计算的中间变量，
Figure FDA0003011479420000035
是执行器i在k时刻的位置传感器读数的微分器输出，
Figure FDA0003011479420000036
和
Figure FDA0003011479420000037
为执行器i位置传感器读数微分器的增益，均为大于0的常数；
S102、利用带有前馈的离散微分器对k时刻执行器的角速度进行处理，得到执行器的角加速度：
Figure FDA0003011479420000038
Figure FDA0003011479420000039
Figure FDA00030114794200000310
其中，
Figure FDA00030114794200000311
和
Figure FDA00030114794200000312
为执行器i的角速度进行微分计算的中间变量，
Figure FDA00030114794200000313
是执行器i在k时刻的速度传感器读数的微分器输出，
Figure FDA00030114794200000314
Figure FDA00030114794200000315
和
Figure FDA00030114794200000316
为执行器i角速度微分器的增益，均为大于0的常数；
S103、对在k-1时刻输出给执行器i的执行器驱动器的控制量ui(k-1)进行滤波；
Figure FDA00030114794200000317
其中，g是滤波器的增益，
Figure FDA00030114794200000318
是k时刻计算得到的ui(k-1)低通滤波的值；
S104、计算得到一个中间变量τi(k)，中间变量τi(k)包含执行器i在k时刻受到外界作用力信息，所述中间变量τi(k)为：
Figure FDA00030114794200000319
其中，J＝max{J1,J2,...,Jn}是所有执行器的等价转动惯量中最大的一个；B＝max{B1,B2,...,Bn}是所有执行器的等价阻尼中最大的一个，Ji和Bi(i＝1,2,…,n)分别表示执行器i的等价转动惯量和等价阻尼；
S105、利用下列关系计算得到k时刻输出给执行器i的执行器驱动器的控制量；
Figure FDA0003011479420000041
其中，K1和K2分别为位置和速度的增益，均为大于0的常数。
2.根据权利要求1所述的力触觉控制系统，其特征在于，所述控制单元采用ARM芯片、数字信号处理DSP处理器、单片机或现场可编程门阵列FPGA。
3.根据权利要求2所述的力触觉控制系统，其特征在于，所述测速传感器包括测速发电机，所述执行器采用直流力矩电机，所述控制单元采用ARM芯片，利用ARM芯片上的A/D转换模块，在外围设计基准电源、仪表放大器构成测速传感器接口，利用ARM芯片上的定时器模块产生2组PWM信号，利用H桥电路驱动所述执行器。
4.根据权利要求2所述的力触觉控制系统，其特征在于，所述测角传感器采用增量式光电编码器，所述执行器采用直流力矩电机，所述控制单元采用ARM芯片，利用ARM芯片上的定时器模块采集增量式光电编码器的电平信号，ARM芯片外围设计上拉电阻。
5.根据权利要求2所述的力触觉控制系统，其特征在于，所述测角传感器采用绝对值编码器，所述执行器采用直流力矩电机，所述控制单元采用ARM芯片，利用ARM芯片上与编码器对应的外设接口或普通I/O口，在外围设计电平转换电路对绝对值编码器数据进行读取，利用ARM芯片上的定时器模块产生2组PWM信号，利用H桥电路驱动所述执行器。
6.根据权利要求2所述的力触觉控制系统，其特征在于，所述测角传感器采用绝对值编码器，所述执行器采用永磁同步电机，所述控制单元采用ARM芯片，利用ARM芯片上与编码器对应的外设接口或普通I/O口，在外围设计电平转换电路对绝对值编码器数据进行读取，利用ARM芯片上的定时器模块产生3组PWM信号，结合三个半桥电路生成三路正弦驱动电流驱动所述执行器。
7.根据权利要求2所述的力触觉控制系统，其特征在于，所述控制单元包括多个控制子单元，所述控制子单元与所述执行机构一一对应安装，所述控制子单元之间采用总线连接。
8.根据权利要求7所述的力触觉控制系统，其特征在于，所述总线采用RS-485总线、RS-422总线、CAN总线或以太网。
9.一种机器人，其特征在于，具有如权利要求1至8中任一项所述的力触觉控制系统。
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