CN109857162A - 一种力触觉交互控制方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供的力触觉交互方法及装置，通过位置传感器对执行器位置进行数据采集，利用微分器对数据进行处理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

一种力触觉交互控制方法及装置

技术领域

本发明涉及自动控制领域，特别涉及一种力触觉交互控制方法及装置。

背景技术

人类在19世纪发明了电话，实现了听觉的传递；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、电机和控制方法，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交互控制方法及装置，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交互控制方法，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，所述方法包括：

S101、在k时刻获取的使用位置传感器测量的角度值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；

其中，T_s为定时器的中断周期，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，和为执行器i的位置传感器读数进行微分计算的中间变量，是执行器i在k时刻的位置传感器读数的微分器输出，和为执行器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：

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u_i(k-1)进行滤波；

其中，g是滤波器的增益，是k时刻计算得到的u_i(k-1)低通滤波的值；

S104、计算得到一个中间变量τ_i(k)，中间变量τ_i(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τ_i(k)为：

其中，J＝max{J₁,J₂,...,J_n}是所有执行器的等价转动惯量中最大的一个；B＝max{B₁,B₂,...,B_n}是所有执行器的等价阻尼中最大的一个，J_i和B_i(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；

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，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，所述在k时刻获取的使用位置传感器测量的角度值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。

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数字滤波器中任一种。

可选地，所述位置传感器采用位置传感器、磁编码器、电位计或感应同步器。

第二方面，本发明还提供一种力触觉交互控制装置，所述装置包括：

预置单元，用于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；

第一处理单元，用于在k时刻获取的使用位置传感器测量的角度值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；

其中，T_s为定时器的中断周期，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，和为执行器i的位置传感器读数进行微分计算的中间变量，是执行器i在k时刻的位置传感器读数的微分器输出，和为执行器i位置传感器读数微分器的增益，均为大于0的常数；

第二处理单元，用于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：

滤波单元，用于对在k-1时刻输出给执行器i的执行器驱动器的控制量u_i(k-1)进行滤波；

其中，g是滤波器的增益，是k时刻计算得到的u_i(k-1)低通滤波的值；

第三处理单元，用于计算得到一个中间变量τ_i(k)，中间变量τ_i(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τ_i(k)为：

其中，J＝max{J₁,J₂,...,J_n}是所有执行器的等价转动惯量中最大的一个；B＝max{B₁,B₂,...,B_n}是所有执行器的等价阻尼中最大的一个，J_i和B_i(i＝1,2,…,n)分别表示执行器i的等价转动惯量和等价阻尼；

第四处理单元，用于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；

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，还包括：

第一判断单元，用于判断是否结束控制，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，还包括：

收发单元，用于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，还包括：

第二判断单元，用于判断传感器类型，若传感器类型为位置传感器执行在k时刻获取的使用位置传感器测量的角度值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。

本发明提供的力触觉交互方法及装置，通过位置传感器对执行器位置进行数据采集，利用微积分器对数据进行处理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是本发明实施例中力触觉交互控制方法的一种实施例的流程图；

图2是本发明实施例中力触觉交互控制方法的另一种实施例的流程图；

图3是本发明实施例中力触觉交互控制装置的一种实施例的结构图。

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(如果存在)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交互控制方法，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，所述方法包括：

S101、在k时刻获取的使用位置传感器测量的角度值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；

其中，T_s为定时器的中断周期，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，和为执行器i的位置传感器读数进行微分计算的中间变量，是执行器i在k时刻的位置传感器读数的微分器输出，和为执行器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：

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u_i(k-1)进行滤波；

其中，g是滤波器的增益，是k时刻计算得到的u_i(k-1)低通滤波的值；

S104、计算得到一个中间变量τ_i(k)，中间变量τ_i(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τ_i(k)为：

其中，J＝max{J₁,J₂,...,J_n}是所有执行器的等价转动惯量中最大的一个；B＝max{B₁,B₂,...,B_n}是所有执行器的等价阻尼中最大的一个，J_i和B_i(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；

其中，K₁和K₂分别为位置和速度的增益，均为大于0的常数。

本实施例中，位置传感器可以采用光电编码器，执行器可以采用执行器、电液伺服机构、液压驱动机构、超声电机，对此不做限定。

本发明提供的力触觉交互方法，通过位置传感器对执行器位置进行数据采集，利用微积分器对数据进行处理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。

结合图2所示，在S105之后，本方法还包括：

S106、判断是否结束控制；

S107、若是，则通过置位标志位的方式跳出死循环，结束控制；

S108、若否，则不置位标志位，等待下次定时器中断。

在死循环中，程序将执行读取位置传感器数据、将控制量输出给执行器驱动器的操作，当采用了分布式控制电路方案时，还要在上述操作之外通过通信接口向其它n-1个控制电路发送本机的位置传感器数据以及按照上述过程获得的包含力信息的中间变量τ_i(k)。

当采用分布式控制方案时，一块电路板控制一个执行器，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。

当一块电路板控制一个执行器时，则电路板上只需有一个传感器数据接口和一个执行器驱动器即可。所述通信接口实现的是n个电路板之间的数据通信。可采用RS-485总线、CAN总线、以太网等具体设计形式。当执行机构设计为多自由度时，一个执行机构也可能有多个驱动执行器驱动，此时所需做的更改仅为增加电路板上传感器数据接口和执行器驱动器的数量而已，最为重要的控制算法都是相同的。

进一步地，在步骤S101之前，还包括：

S100、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,因为控制方法需要利用微分器获取执行器的角速度和角加速度，当采用速度传感器时，仅需使用一次微分器估算角加速度即可；当采用位置传感器时需要使用两次微分器估算角速度和角加速度，传感器类型不同处理过程会有所不同。

本发明中提到的滤波器可以为一阶低通滤波器、二阶高阶低通滤波器、高阶低通滤波器、巴特沃斯滤波器、IIR数字滤波器中任一种，本领域普通技术人员可以灵活选择。

本实施例中，所述位置传感器采用光电编码器、磁编码器、电位计或感应同步器，对此不做限定。

在S105的式(10)中，控制算法实际包含了三部分：位置控制、速度控制、力控制。各部分分别通过一个比例控制器实现控制，力控制部分的等价控制增益为1。在实际设计时，根据系统特性的不同，也可以采用更加复杂的控制器形式代替此比例控制器，所不同的仅是将比例计算更改为其它算法，这里不再赘述。

需要说明的是，利用上述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。

结合图2所示，本发明还提供一种力触觉交互控制装置，所述装置包括：

预置单元201，用于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；

第一处理单元202，用于在k时刻获取的使用位置传感器测量的角度值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；

其中，T_s为定时器的中断周期，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，和为执行器i的位置传感器读数进行微分计算的中间变量，是执行器i在k时刻的位置传感器读数的微分器输出，和为执行器i位置传感器读数微分器的增益，均为大于0的常数；

第二处理单元203，用于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：

滤波单元，用于对在k-1时刻输出给执行器i的执行器驱动器的控制量u_i(k-1)进行滤波；

其中，g是滤波器的增益，是k时刻计算得到的u_i(k-1)低通滤波的值；

第三处理单元204，用于计算得到一个中间变量τ_i(k)，中间变量τ_i(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τ_i(k)为：

其中，J＝max{J₁,J₂,...,J_n}是所有执行器的等价转动惯量中最大的一个；B＝max{B₁,B₂,...,B_n}是所有执行器的等价阻尼中最大的一个，J_i和B_i(i＝1,2,…,n)分别表示执行器i的等价转动惯量和等价阻尼；

第四处理单元205，用于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；

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，还包括：

第一判断单元206，用于判断是否结束控制，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，还包括：

收发单元207，用于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，还包括：

第二判断单元208，用于判断传感器类型，若传感器类型为位置传感器执行在k时刻获取的使用位置传感器测量的角度值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。

本发明提供的力触觉交互控制装置，通过位置传感器对执行器位置进行数据采集，利用微积分器对数据进行处理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交互控制方法及装置进行了详细介绍，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 (10)

1.一种力触觉交互控制方法，其特征在于，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，所述方法包括：

S101、在k时刻获取的使用位置传感器测量的角度值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；

其中，T_s为定时器的中断周期，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，和为执行器i的位置传感器读数进行微分计算的中间变量，是执行器i在k时刻的位置传感器读数的微分器输出，和为执行器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：

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u_i(k-1)进行滤波；

其中，g是滤波器的增益，是k时刻计算得到的u_i(k-1)低通滤波的值；

S104、计算得到一个中间变量τ_i(k)，中间变量τ_i(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τ_i(k)为：

其中，J＝max{J₁,J₂,...,J_n}是所有执行器的等价转动惯量中最大的一个；B＝max{B₁,B₂,...,B_n}是所有执行器的等价阻尼中最大的一个，J_i和B_i(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；

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所述的力触觉交互控制方法，其特征在于，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。

3.根据权利要求1所述的力触觉交互控制方法，其特征在于，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。

4.根据权利要求1所述的力触觉交互控制方法，其特征在于，所述在k时刻获取的使用位置传感器测量的角度值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。

5.根据权利要求1所述的力触觉交互控制方法，其特征在于，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、巴特沃斯滤波器或IIR数字滤波器。

6.根据权利要求1所述的力触觉交互控制方法，其特征在于，所述位置传感器采用光电编码器、磁编码器、电位计或感应同步器。

7.一种力触觉交互控制装置，其特征在于，所述装置包括：

预置单元，用于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；

第一处理单元，用于在k时刻获取的使用位置传感器测量的角度值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；

其中，T_s为定时器的中断周期，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，和为执行器i的位置传感器读数进行微分计算的中间变量，是执行器i在k时刻的位置传感器读数的微分器输出，和为执行器i位置传感器读数微分器的增益，均为大于0的常数；

第二处理单元，用于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：

滤波单元，用于对在k-1时刻输出给执行器i的执行器驱动器的控制量u_i(k-1)进行滤波；

其中，g是滤波器的增益，是k时刻计算得到的u_i(k-1)低通滤波的值；

第三处理单元，用于计算得到一个中间变量τ_i(k)，中间变量τ_i(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τ_i(k)为：

其中，J＝max{J₁,J₂,...,J_n}是所有执行器的等价转动惯量中最大的一个；B＝max{B₁,B₂,...,B_n}是所有执行器的等价阻尼中最大的一个，J_i和B_i(i＝1,2,…,n)分别表示执行器i的等价转动惯量和等价阻尼；

第四处理单元，用于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；

其中，K₁和K₂分别为位置和速度的增益，均为大于0的常数。

8.根据权利要求7所述的力触觉交互控制装置，其特征在于，还包括：

第一判断单元，用于判断是否结束控制，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。

9.根据权利要求7所述的力触觉交互控制装置，其特征在于，还包括：

收发单元，用于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。

10.根据权利要求7所述的力触觉交互控制装置，其特征在于，还包括：

第二判断单元，用于判断传感器类型，若传感器类型为位置传感器执行在k时刻获取的使用位置传感器测量的角度值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。