CN111993377B - 一种遥操作主手力反馈曲线拟合算法和系统 - Google Patents

一种遥操作主手力反馈曲线拟合算法和系统 Download PDF

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Abstract

本公开公开的一种遥操作主手力反馈曲线拟合算法和系统，包括：操作者操纵主手运动，从臂跟随主手运动；运动过程中，实时采集从臂末端受力并发送至从臂控制器；从臂控制器根据末端受力计算获得基座受力并发送至主手控制器；主手控制器根据接收的从臂基座受力计算与从臂各关节对应的主手各关节力矩，并对获得的主手各关节力矩分别进行曲线拟合，获取力反馈曲线，根据力反馈曲线信息控制主手前三关节电机输出相应力。主手控制器根据从臂基座处的受力信息，生成力反馈曲线，由力反馈曲线信息控制主手前三关节电机输出，使操作者实时感受到作业状态，拥有真实的临场感，提高了力觉反馈的透明度。

Description

一种遥操作主手力反馈曲线拟合算法和系统
技术领域
本公开涉及一种遥操作主手力反馈曲线拟合算法和系统。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
主从遥操作是人员参与控制工业机器人最常用的操纵方法，主从机器人遥操作系统可在非确定环境下进行复杂的操纵作业。典型的遥操作系统包括主手和从臂，从臂跟随主手运动，操作者仅通过控制主手就可控制从臂运动。
为使操作者对所操纵作业的过程具有真实的力觉感受，在遥操作系统中加入了力觉反馈技术。目前遥操作系统中运用力觉反馈技术主要是通过力反馈来保证系统的稳定性，而如何提高力觉反馈的透明度，即从臂反馈给操作者的力与操作者感知力的逼真程度成为提高主手性能的关键环节。
发明内容
本公开为了解决上述问题，提出了一种遥操作主手力反馈曲线拟合算法和系统，主手控制器根据从臂基座处的受力信息，生成力反馈曲线，由力反馈曲线信息控制主手前三关节电机输出，使操作者实时感受到作业状态，拥有真实的临场感，提高了力觉反馈的透明度。
本公开的第一目的是，提出一种遥操作主手力反馈曲线拟合算法，包括：
操作者操纵主手运动，从臂跟随主手运动；
运动过程中，实时采集从臂末端受力并发送至从臂控制器；
从臂控制器将末端受力转化为基座受力并发送至主手控制器；
主手控制器根据接收的从臂基座受力计算与从臂各关节对应的主手各关节力矩，并对获得的主手各关节力矩进行曲线拟合，获取力反馈曲线，根据力反馈曲线信息控制主手各关节电机输出相应力。
进一步的，从臂跟随主手运动的具体过程为：
操作者操控主手运动，主手各关节处电位器将输出值发送至主手控制器；
主手控制器接收主手各关节处电位器变化获得主手各关节角度，并将主手各关节角度发送至从臂控制器；
从臂控制器依据接收的主手各关节角度控制从臂各关节运动。
进一步的，主手控制器接收从臂基座受力后，通过主手雅克比矩阵计算与从臂各关节对应的主手各关节力矩。
进一步的，主手控制器通过最小二乘法将计算出的主手各关节力矩进行曲线拟合，获取力反馈曲线。
进一步的，所述力反馈曲线，根据操作者承受力的大小及操作时间长短调整力反馈曲线变化幅度。
进一步的，主手控制器预先设定主手各关节电机的最大驱动力，当关节电机依据力反馈曲线信息输出力大于设定的最大驱动力时，主手各关节电机输出最大驱动力。
本公开的第二目的是，提出一种遥操作主手力反馈系统，包括：
用于操作者现场操控的主手和用于远程受控的从臂；
主手的各关节处均安装电位器，前三个关节安装电机，从臂的各关节处均安装液压油缸、角度传感器，末端安装有三维力传感器；
主手上设置主手控制器，从臂上设置从臂控制器，主手控制器和从臂控制器通过通讯系统连接；
从臂控制器接收从臂末端受力，并运用正运动学转化为基座受力发送至主手控制器，主手控制器根据接收的从臂基座受力计算与从臂各关节对应的主手各关节力矩，并对获得的主手各关节力矩进行曲线拟合，获取力反馈曲线，根据力反馈曲线信息控制主手前三关节电机输出相应力。
进一步的，所述主手控制器通过驱动模块连接关节电机。
进一步的，所述液压油缸上设置伺服驱动模块，伺服驱动模块通过D/A转换模块连接至从臂控制器；所述力传感器通过A/D转换模块进行转换，角度通过绝对编码器直接读取至从臂控制器。
进一步的，所述主手和从臂的结构相同。
与现有技术相比，本公开的有益效果为：
1、本公开的主手和从臂间形成闭环的力觉反馈，使操作者实时感受到作业状态，拥有真实的临场感，对完成遥控作业任务，提高任务的执行效率有很好的辅助效果。
2、本公开的主手控制器将获得的主手各关节力矩进行了曲线拟合，形成了光滑的力反馈曲线，是主手电机输出的力感变得平缓稳定，让操作者进行操作的过程中不会出现力感忽大忽小的情况，带来稳定的操作体验。
3、本公开的形成的力反馈曲线可根据操作者的承受力和操作时间长短对曲线进行变化幅度调节，选择适合操作者的力感承受力，使整个操作过程轻松舒适。
4、本公开还对关节电机进行了最大驱动力限制，不会出现过大的冲击力对操作者和电机造成损伤。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1为本公开一种遥操作主手力反馈曲线拟合算法流程图；
图2为本公开力反馈曲线拟合图；
图3为本公开遥操作主手力反馈系统原理图。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
实施例1
在该实施例中，公开了一种遥操作主手力反馈曲线拟合算法，包括：
操作者操纵主手运动，从臂跟随主手运动；
运动过程中，实时采集从臂末端受力并发送至从臂控制器并转化为基座受力；
从臂控制器发送从臂基座受力至主手控制器；
主手控制器根据接收的从臂基座受力计算与从臂各关节对应的主手各关节力矩，并对获得的主手各关节力矩分别进行曲线拟合，获取力反馈曲线，根据力反馈曲线信息控制主手前三关节电机输出相应力，给人以力觉临场感。
从臂跟随主手运动的具体过程为：
操作者控制主手运动，使主手末端运动至期望位姿PM，运动过程中，主手各关节的角度θM发生变化，从而引起主手各关节处电位器的输出值发生变化，主手控制器根据主手各关节处电位器变化获得主手各关节角度值
Figure BDA0002660415020000051
并将主手各关节角度值发送至从臂控制器；
从臂控制器依据接收的主手各关节角度值，驱动从臂各关节处的液压油缸运动，使从臂末端运动至位姿PS。
当从臂末端运动至位姿PS时，若从臂末端有负载或从臂与作业环境接触时，从臂末端受力FS，可通过从臂末端安装的力传感器获得三维力数据
Figure BDA0002660415020000061
并根据正运动学分析得到从臂的旋转矩阵
Figure BDA0002660415020000062
进而转化求得从臂在基座处所受到的力大小
Figure BDA0002660415020000063
从臂控制器经通信系统将从臂在基座处所受到的力
Figure BDA0002660415020000064
发送至主手控制器。通过分析主手结构建立参数坐标系并进行连杆坐标变换，使用微分变换法求得主手的雅克比矩阵JM，主手控制器直接将得到的雅可比矩阵JM乘接收到的基座处所受到的力
Figure BDA0002660415020000065
得到主手各关节对应的力矩
Figure BDA0002660415020000066
即
Figure BDA0002660415020000067
如图2所示，遥操作过程中，主手控制器计算获得的主手各关节力矩为一系列的离散的点数据，这些离散的点数据的变化并非都是线性的，可能会出现数据突变的情况，数据的突变可能导致冲击力过大，给电机或操作者带来损伤。
为使操作者感受到更为真实精确的力反馈状态，同时操作起来舒适稳定，将主手控制器计算出的主手各关节力矩经最小二乘法进行曲线拟合，获得平滑的力反馈曲线，使反馈力变化更加柔和以及稳定，进一步的，电机输出控制稳定，不会给操作者带来忽大忽小的力觉感受。
为保证关节电机的反馈力在操作者可承受范围内，对不同的操作者进行了测试，获取了不同操作者可以承受的力的大小及操作时间长短，使力反馈曲线可根据操作者可以承受的力的大小及操作时间长短进行力反馈曲线的变化幅度调节，在操作时，选择适合操作者的承受力，使整个操作过程轻松舒适。
同时，为减轻力反馈过大对电机产生的冲击力影响，以及避免对操作者的手臂造成损伤，对关节电机的输出做了最大驱动力限制。主手控制器预先设定主手各关节电机的最大驱动力，当关节电机依据力反馈曲线信息输出力矩大于设定的最大驱动力时，关节电机输出最大驱动力，以避免因输出力矩过大损害主手器件或是对操作者手臂造成过大的负担，进一步对操作者操作主手进行安全防护。
实施例2
在该实施例中，提出一种遥操作主手力反馈系统，包括：
用于操作者现场操控的主手和用于远程受控的从臂；
主手的各关节处均安装关节电机和电位器，从臂的各关节处均安装液压油缸、角度传感器和力传感器；
主手上设置主手控制器，从臂上设置从臂控制器，主手控制器和从臂控制器通过通讯系统连接。
操作者通过各关节电机控制主手动作，当主手运动到期望位姿时，安装于主手各关节处的电位器输出值发生变化，主手控制器通过电位器变化获取主手各关节角度信息。
主手控制器将各关节角度信息发送至从臂控制器，从臂控制器通过接收的各关节角度信息控制液压油缸动，通过从臂各关节处角度传感器对从臂各关节运动进行采样控制，通过力传感器采集从臂末端处的受力信息，并发送至从臂控制器。
从臂控制器接收从臂末端受力并根据正运动学计算得到基座受力大小，然后将从臂的基座受力通过通讯系统发送至主手控制器，主手控制器根据接收的从臂基座受力计算与从臂各关节对应的主手各关节力矩，并对获得的主手各关节力矩分别进行曲线拟合，获取平滑的力反馈曲线，根据力反馈曲线信息控制主手前三关节电机输出相应力，使操作者实时感受到作业状态，拥有真实的临场感，对完成遥控作业任务，提高任务的执行效率有很好的辅助效果。
主手控制器通过驱动模块连接前三关节电机，主手控制器的操作指令驱动关节电机运转，使操作者实时感受从逼的受力状况。
液压油缸上设置伺服驱动模块，驱动模块控制电液伺服阀的输入电压信号，并将电压信号进行放大、转换，变成电流信号控制电液伺服阀的开度，进而调节液压油缸开度流量使从臂运转。
伺服驱动模块通过D/A转换模块连接至从臂控制器；力传感器通过A/D转换模块连接至从臂控制器，从臂控制器采集绝对编码器的位置数据，实时检测从臂的运动信息，获取从臂的当前位姿及受力情况。
主手和从臂的结构设计相同，便于两者产生相同的动作。
以上仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。

Claims (8)

1.一种遥操作主手力反馈曲线拟合算法，其特征在于，包括：
操作者操纵主手运动，从臂跟随主手运动；
运动过程中，实时采集从臂末端受力并发送至从臂控制器；
从臂控制器将末端受力转化为基座受力并发送至主手控制器；
主手控制器根据接收的从臂基座受力计算与从臂各关节对应的主手各关节力矩，并对获得的主手各关节力矩分别进行曲线拟合，获取力反馈曲线，根据力反馈曲线信息控制主手前三关节电机输出相应力；
从臂跟随主手运动的具体过程为：
操作者控制主手运动，使主手末端运动至期望位姿；
运动过程中，主手各关节处电位器将输出值发送至主手控制器；
主手控制器接收主手各关节处电位器输出值获得主手各关节角度，并将主手各关节角度发送至从臂控制器；
从臂控制器依据接收的主手各关节角度值，驱动从臂各关节处的液压油缸运动，使从臂末端运动至位姿；
当从臂末端运动至位姿时，若从臂末端有负载或从臂与作业环境接触时，从臂末端受力，通过从臂末端安装的力传感器获得三维力数据，并根据正运动学分析得到从臂的旋转矩阵，进而得到从臂在基座处所受到的力大小；
主手控制器接收从臂基座受力后，通过主手雅克比矩阵计算与从臂各关节对应的主手各关节力矩。
2.如权利要求1所述的一种遥操作主手力反馈曲线拟合算法，其特征在于，主手控制器通过最小二乘法将计算出的主手各关节力矩进行曲线拟合，获取力反馈曲线。
3.如权利要求1所述的一种遥操作主手力反馈曲线拟合算法，其特征在于，所述力反馈曲线，根据操作者承受力的大小及操作时间长短调整曲线变化幅度。
4.如权利要求1所述的一种遥操作主手力反馈曲线拟合算法，其特征在于，主手控制器预先设定主手各关节电机的最大驱动力，当关节电机依据力反馈曲线信息输出力大于设定的最大驱动力时，主手各关节电机输出最大驱动力。
5.一种遥操作主手力反馈系统，其特征在于，包括：
用于操作者现场操控的主手和用于远程受控的从臂；
主手的各关节处均安装电位器，前三个关节安装电机，从臂的各关节处均安装液压油缸、角度传感器，末端安装有三维力传感器；
主手上设置主手控制器，从臂上设置从臂控制器，主手控制器和从臂控制器通过通讯系统连接；
从臂控制器接收从臂末端受力，并运用正运动学转化为基座受力发送至主手控制器，主手控制器根据接收的从臂基座受力计算与从臂各关节对应的主手各关节力矩，并对获得的主手各关节力矩进行曲线拟合，获取力反馈曲线，根据力反馈曲线信息控制主手前三关节电机输出相应力；
从臂跟随主手运动的具体过程为：
操作者控制主手运动，使主手末端运动至期望位姿；
运动过程中，主手各关节处电位器将输出值发送至主手控制器；
主手控制器接收主手各关节处电位器输出值获得主手各关节角度，并将主手各关节角度发送至从臂控制器；
从臂控制器依据接收的主手各关节角度值，驱动从臂各关节处的液压油缸运动，使从臂末端运动至位姿；
当从臂末端运动至位姿时，若从臂末端有负载或从臂与作业环境接触时，从臂末端受力，通过从臂末端安装的力传感器获得三维力数据，并根据正运动学分析得到从臂的旋转矩阵，进而得到从臂在基座处所受到的力大小；
主手控制器接收从臂基座受力后，通过主手雅克比矩阵计算与从臂各关节对应的主手各关节力矩。
6.如权利要求5所述的一种遥操作主手力反馈系统，其特征在于，所述主手控制器通过驱动模块连接关节电机。
7.如权利要求5所述的一种遥操作主手力反馈系统，其特征在于，所述液压油缸上设置伺服驱动模块，伺服驱动模块通过D/A转换模块连接至从臂控制器；所述力传感器通过A/D转换模块连接至从臂控制器。
8.如权利要求5所述的一种遥操作主手力反馈系统，其特征在于，所述主手和从臂的结构相同。
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