CN201253853Y - 两自由度位置反馈型双向伺服手控器控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种两自由度位置反馈型双向伺服手控器控制系统。该系统主要由主动侧电动式手控器、计算机控制单元、从动机械手组成，所述的计算机控制单元由主动侧控制器、位置调整器、力调整器、从动侧控制器和状态观测器单元组成，所述的主动侧电动式手控器由操纵手柄和交叉布置的x向转轴、y向转轴，及驱动转轴的伺服电机及涡轮蜗杆机构组成，其中的涡轮蜗杆传动具有自锁功能。由该手控器组成的双向伺服控制系统，其控制原理打破了目前国际上一直沿用的双向伺服控制惯例，而是用手控器的操纵力控制从动机械手，反过来使手控器跟随从动机械手运动。其优点是可以使操纵者更好地把握从动机械手的位置状况与干涉情况，并且可以获得较好的操纵力感觉。

Description

两自由度位置反馈型双向伺服手控器控制系统

技术领域

本实用新型涉及一种2自由度“位置反馈型”双向伺服手控器控制系统，可广泛应用于航空航天、海洋开发、核能、抢险救助、医疗、虚拟现实、游戏业等领域。

背景技术

针对手控器与被操纵对象构成的双向伺服控制系统，目前国际上已经尝试了多种主—从伺服控制方法，包括位置对称型、力直接反馈型、力偏差反馈型、位置和力偏差反馈型等等。这些力反馈控制方法具有统一的特征：

(1)从动机械手位移跟随手控器的位移；

(2)将从动机械手的作用力和主、从手的位置偏差信息处理后反馈到手控器产生反馈力。

通过试验发现这些方法存在如下问题：

(1)当从动机械手接触到刚性较大物体(如石块等)时，手控器上所受反馈力冲击过大，使手控器发振而不易控制；

(2)从手控器上不能较好地感知从动机械手的位置情况及从手的运动干涉情况，从动机械手被卡住时，手控器仍然可以被推动。

(3)手控器反馈力小时力感不明显，反馈力大时手控器与从动机械手较难随人的意志而运动。

2003年，日本学者久富(S.Kudomi)对上述方法进行实验后发现，控制效果相对较好的是力偏差反馈型，但仍然存在一个重要不足，即当从动机械手接触到刚性较大物体(如石块等)时，手控器上所受反馈力冲击过大，使手控器发振而不易控制。为了改进这一缺点，他提出了力·位置复合控制方案，并在手控器的控制程序中加入了状态观测器(Disturbanceobserver)，以消除手控器各自由度动态特性的差异。从其所提供的实验结果来看，虽然此控制方法从一定程度上缓解了手控器上的反馈力冲击，但从动机械手对手控器的位置跟随特性有所变差。

发明内容

本实用新型的目的在于为克服现有双向伺服控制算法中力反馈控制方法的不足，使操纵者更好地把握从动机械手的位置状况与干涉情况，并且可以获得较好的控制随动性及反馈力感觉，提供一种全新的两自由度位置反馈型双向伺服手控器控制系统。

本实用新型的目的是这样实现的，结合附图说明如下：

一种两自由度位置反馈型双向伺服手控器控制系统，该系统主要由主动侧电动式手控器、计算机控制单元、从动机械手组成，所述的计算机控制单元由主动侧控制器、位置调整器、力调整器、从动侧控制器和状态观测器单元组成，所述的主动侧电动式手控器由操纵手柄、交叉布置的x向转轴、y向转轴，驱动转轴的伺服电机和涡轮蜗杆机构组成，操纵手柄上装有可以测得操纵者在x、y向的施力的二维力传感器，x向转轴和y向转轴的一端装有x轴角度传感器和y轴角度传感器，另一端装有由伺服电机驱动的涡轮蜗杆传动机构；所述的二维力传感器和角度传感器的检测值分别经放大电路和A/D转换输入计算机控制单元，经计算机控制单元处理的数据一路经D/A转换输出驱动2自由度从动机械手运动，另一路径D/A转换后通过放大电路驱动两个伺服电机运动。

所述的主动侧电动式手控器的操纵力经二维力传感器检测、放大电路放大、A/D转换后的数据送入力调整器单元，远端从手阻力检测值经A/D转换后的数据也送入力调整器单元，经力调整器单元处理后的数据送入从动侧控制器单元，经D/A转换输出驱动2自由度从动机械手运动。

所述的2自由度从动机械手的位移检测值经A/D转换后，送入位置调整器单元，同时主动侧电动式手控器中的角度传感器的转角测量值通过放大电路放大、经A/D转换后也送入位置调整器单元，在位置调整器单元中经比较计算后将数据送入主动侧控制器单元，若有差值，则主动侧控制器单元发出控制信号，该信号经D/A转换、放大电路放大后作为控制伺服电机的控制信号，驱动伺服电机，带动蜗杆涡轮机构，驱动手控器转轴运动，其位移量始终跟随从手的位移量。

所述的状态观测器单元装在从动机械手控制系统中，根据2自由度从动机械手的输入信号和输出信号的不同，对2自由度从动机械手的输入进行调整，以消除2自由度从动机械手各自由度之间摩擦阻力的差异、控制硬件动态特性的差异及其随温度的漂移。

所述的主动侧电动式手控器中的x、y向伺服电机驱动的涡轮蜗杆机构传动是反向自锁的不可逆传动，操纵者对操纵手柄施力时，不能直接使手控器沿x轴或y轴方向做回转运动，在于主动侧电动式手控器只能跟随2自由度从动机械手的运动而运动。

操作者施加于手控器上的力以及从动机械手上的作用力信号，通过力传感器检测并传送到力调整器，用手控器的操纵力乘以一定比例后减去从动机械手工作阻力所得的力偏差信号去驱动从动机械手使其产生位移。这种方案相当于人通过传力机构将力传到从动机械手上克服其工作阻力来完成工作，与现有的控制方案相比，其控制方法更加符合从动机械手工作的动力学原理。

将从动机械手的位移与主动侧手控器位移信号，通过位移传感器检测并将其传送到位置调整器。若位置调整器有偏差信号输出到主动侧控制器，主动侧控制器发出控制信号，驱动伺服电机，通过涡轮蜗杆机构带动手控器追踪从动机械手的位移；若位置调整器没有偏差信号输出到主动侧控制器，则主动侧控制器无控制信号发出，从动侧机械手被卡住时会出现此类情况，此时伺服电机处于停止状态，由于涡轮蜗杆机构是反向自锁的，所以不论操作者向手控器上施加多大的力，手动器都不会运动，从而保证了手控器的位置是绝对跟随从动机械手运动的，不会受到手控器反馈力的干扰，这样就从机构学上保证了手控器的位姿能够准确地反映从动机械手的位置状况和干涉情况。

为了便于向手控器上施力促使从动机械手完成所期望的动作，而且其输出的控制信号不会受到从动机械手反馈力的影响，使操纵者能够准确判断出从动机械手位置状况，且其位移完全跟随从动机械手的位移，所以采用的方案是：手控器上反馈回来的是位移信号而非力信号。

“位置反馈型”双向伺服控制方案其控制原理是“用操纵力与从动机械手工作阻力的力偏差信号控制从动机械手的运动，再使手控器跟随从动机械手运动”，无论是操纵力大于工作阻力，还是工作阻力大于操纵力，从动机械手都会有位移产生，操纵者施力于手控器后通过反馈到手控器上的位移大小，即可了解从动机械手上作用的阻力大小及作业对象的软硬。

在从动机械手控制系统中加入“状态观测器”，可以使操作者的操作意志在从动机械手一侧更加准确地呈现出来。现实中使用的主—从式双向伺服控制系统，主手与从手一般是异构的，因各个自由度动力传递路线上摩擦阻力的不同、惯量特性的不同、控制硬件的差异等，有时会使各个自由度的频响特性有较大的差异，如果不进行补偿，操纵后产生的位移可能与操纵者所期望的目标位移产生一定的差异。本实用新型用状态观测器来消除从动机械手上各自由度动态特性的差异，这样可使双向伺服控制系统的控制特性更加优异。

本实用新型的技术效果是：以往的手控器，使人的操纵力与反馈力叠加后产生位移，并以该位移信号去控制从动机械手的运动，在抓取大刚性物体时因反馈力较大，手控器会变得难以控制，有时还会产生自振。本实用新型提供的手控器，因没有力反馈到手控器，所以不会产生前述现象，因而其控制过程会比较稳定。

附图说明

图1是“位置反馈型”双向伺服手控器控制框图；

图2是“位置反馈型”双向伺服手控器控制系统图。

图中1-操纵手柄  2、3-y轴蜗杆涡轮机构  4-y轴伺服电机  5、6-x轴蜗杆涡轮机构7-x轴伺服电机  8-手控器x向转轴  9-手控器y向转轴  10-y轴角度传感器  11-x轴角度传感器  12-二维力传感器  13、14、22、24、25-放大电路  15、16、17、18-A/D转换  19、21-D/A转换  20-2自由度从动机械手  23-计算机控制单元

具体实施方式

下面结附图所示实施例进一步说明本实用新型的具体内容及其控制过程。

参阅附图1、2，“位置反馈型”双向伺服手控器控制系统主要包括：主动侧电动式手控器(可采用2自由度)、计算机控制单元23(主动侧控制器、位置调整器、力调整器、从动侧控制器、状态观测器)、2自由度从动机械手20，A/D转换15、16、17、18和D/A转换19、21及放大电路13、14、22、24、25。

当操作者按某一方向对主动侧电动式手控器的操纵手柄1施力时，由操纵杆上的二维力传感器12检测出操作者的作用力，并经放大电路14放大，送入A/D15中，进行A/D转换后的数据乘以一定的系数后，送入计算机控制单元23中的力调整器单元，远端2自由度从动机械手20阻力检测值通过A/D18转换也送入计算机控制单元23中的力调整器单元。在力调整器单元中，用主动侧电动式手控器上的力减去远端2自由度从动机械手20阻力，再经过特定的标定算法处理后，将数据送入计算机控制单元23中的从动侧控制器单元，经D/A19转换输出驱动2自由度从动机械手20运动。2自由度从动机械手20位移检测值经A/D17转换后，将数据送入计算机控制单元23中的位置调整器单元中，同时，主动侧电动式手控器中的角度传感器11、10也将转角测量值通过放大电路13、25放大、A/D16转换后送入计算机控制单元23中的位置调整器单元中。在位置调整器中，对2自由度从动机械手20位移检测值和主动侧电动式手控器位置测量值进行比较并经过特定的标定算法计算后，将数据送入计算机控制单元23中的主动侧控制器单元，若2自由度从动机械手20位移检测值和主动侧电动式手控器位置测量值之间有差值，则主动侧控制器单元发出控制信号，该信号经D/A21转换、放大电路22、24放大后作为控制两个伺服电机4、7的控制信号，驱动伺服电机带动蜗杆涡轮机构2、3和5、6使主动侧电动式手控器位移量始终跟随2自由度从动机械手20的位移量变化。

参阅附图1，为了使操作者的操作意志在2自由度从动机械手20一侧更加准确地呈现出来，在从动机械手控制系统中加入了“状态观测器”。将从动侧控制器单元输出信号和2自由度从动机械手20的位移检测值输入到状态观测器中，通过特定的算法计算后输出，调整补偿从动侧控制器单元输出信号，使2自由度从动机械手20产生的位移与操纵者所期望的目标位移一致。

Claims (4)

1、一种两自由度位置反馈型双向伺服手控器控制系统，该系统主要由主动侧电动式手控器、计算机控制单元、从动机械手组成，其特征在于所述的计算机控制单元由主动侧控制器、位置调整器、力调整器、从动侧控制器和状态观测器单元组成，所述的主动侧电动式手控器由操纵手柄、交叉布置的x向转轴、y向转轴，驱动转轴的伺服电机和涡轮蜗杆机构组成，操纵手柄上装有可以测得操纵者在x、y向的施力的二维力传感器，x向转轴和y向转轴的一端装有x轴角度传感器和y轴角度传感器，另一端装有由伺服电机驱动的涡轮蜗杆传动机构；所述的二维力传感器和角度传感器的检测值分别经放大电路和A/D转换输入计算机控制单元，经计算机控制单元处理的数据一路经D/A转换输出驱动2自由度从动机械手运动，另一路径D/A转换后通过放大电路驱动两个伺服电机运动。

2、根据权利要求1所述的两自由度位置反馈型双向伺服手控器控制系统，其特征在于所述的主动侧电动式手控器的操纵力经二维力传感器检测、放大电路放大、A/D转换后的数据送入力调整器单元，远端从手阻力检测值经A/D转换后的数据也送入力调整器单元，经力调整器单元处理后的数据送入从动侧控制器单元，经D/A转换输出驱动2自由度从动机械手运动。

3、根据权利要求1所述的两自由度位置反馈型双向伺服手控器控制系统，其特征在于所述的2自由度从动机械手的位移检测值经A/D转换后，送入位置调整器单元，同时主动侧电动式手控器中的角度传感器的转角测量值通过放大电路放大、经A/D转换后也送入位置调整器单元，在位置调整器单元中经比较计算后将数据送入主动侧控制器单元，若有差值，则主动侧控制器单元发出控制信号，该信号经D/A转换、放大电路放大后作为控制伺服电机的控制信号，驱动伺服电机，带动蜗杆涡轮机构，驱动手控器转轴运动，其位移量始终跟随从手的位移量。

4、根据权利要求1所述的两自由度位置反馈型双向伺服手控器控制系统，其特征在于所述的状态观测器单元装在从动机械手控制系统中，根据2自由度从动机械手的输入信号和输出信号的不同，对2自由度从动机械手的输入进行调整，以消除2自由度从动机械手各自由度之间摩擦阻力的差异、控制硬件动态特性的差异及其随温度的漂移。

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