基于渲染力的环境模型更新算法制造技术

本发明专利技术涉及力反馈遥操作中一种环境模型更新算法，为基于渲染力的环境模型更新算法，该算法着眼于提高模型更新的效率和准确性，与传统算法中冗余的计算趋近相比，直接控制输出渲染力来使输出力尽快趋近于计算值，达到了预期的良好效果。该算法提取主端反馈力中与正常预期不符合的部分作为突变力，以突变力为限制条件直接控制输出渲染力的变化，能够更好的在维持系统稳定性的前提下进行模型更新。实验验证了所提出的方法相比于现有方法的显著优越性，体现了更好的动态性和实时性。

Renderer based environment model updating algorithm

The invention relates to a force feedback teleoperation environment model updating algorithm, updating algorithm is based on the model of rendering, the algorithm focuses on improving the efficiency and accuracy of model updating, compared with the traditional algorithm of computing redundancy approach, direct control of output power to make the rendering output force as soon as possible close to the calculated value reached good expected effect. The algorithm extracts the part of the main end feedback force which is not consistent with the normal expectation as a mutation force, and directly controls the change of output rendering force with the mutation force as the limiting condition. It can better update the model on the premise of maintaining the stability of the system. The experimental results show that the proposed method is superior to the existing methods, and shows better dynamic and real-time performance.

【技术实现步骤摘要】
基于渲染力的环境模型更新算法
本专利技术涉及力反馈遥操作技术中的环境模型更新方法，是基于渲染力的环境模型更新算法。
技术介绍
在基于模型的遥操作系统中，通过在线辨识得到的从端环境参数不断反馈到主端用于修正主端预测环境模型。然而由于主端预测力的计算直接依赖于环境模型参数，直接对模型参数进行“切换”式的更新会导致“模型跳跃”效应，即预测力的突变会影响操作者的正常操作和从端对主端指令的执行，甚至破坏系统的安全性和稳定性。例如，由于从端相对于主端的滞后性，当主端的指令位置导致从端机械臂末端会与从端环境发生接触时，实际从端机械臂末端还没有与环境发生接触。此时，主端控制器通过预测环境模型中的接触动力学模型和主端当前位置计算出一个预测的反馈力，并通过力反馈设备进行力觉渲染传递给人手。而接触力的计算是基于预测环境模型中的环境刚度参数的。当从端发生实际接触之后，参数辨识得到的实际环境刚度会反馈到主端用于修正预测模型。而如果从端反馈的实际环境刚度明显大于环境刚度的初始值，就会导致计算得到的预测力的突然增大。如果操作者无法控制突然增大的接触力，就会导致主端位置发生较大突变甚至震荡，给操作者带来冲击，破坏主端人机交互的稳定性。而且主端位置的突变同时会传递到从端，导致从端机械臂位置跟随主端发生突变，也破坏了遥操作从端的稳定性。通常采用模型更新算法来控制模型参数的更新，从而减小主端的突变力，提高系统稳定性。现有的模型更新算法包括较为保守的无能量算法和无源性算法，和较为常用的渐进更新算法。但是这些方法都还存在各自的问题，例如更新效率低，对突变力的控制效果不稳定等。
技术实现思路
本专利技术在环境模型更新的研究中，首先实验验证模型跳跃效应对操作的影响，然后比较分析了最新的三种模型更新算法。在此基础上，提出了一种新的基于渲染力调节的模型更新算法。比较分析和实验验证都说明提出的算法优于现有算法，显著改善了模型更新的效果。本专利技术采用以下技术方案，步骤包括：步骤一、将正常操作中主端位置变化导致的预测力变化与突变力分离，不限制正常运动导致的预测力的较快变化。记fex，t为设定的t时刻操作者预期力，将fp，t与fex，t的差值记为t时刻的扰动力fab，t，输出渲染力为fm，t。算法描述如下：fab,t＝fp,t-fex,t(3)fm,t＝fex,t+SAT(fab,t)(4)其中SAT(fab,t)为饱和函数，将fab限制到采样周期ΔT内的最大变化量以内。步骤二、将fex,t限制于保持不变或变化量与距离成正比的范围内，并取接近fp,t的值。存在参数更新时，fm,t随时间趋于fp,t，在趋近过程中，如果主端运动导致的力变化与趋近方向一致，由于对于操作者是可感知的，令加速趋近过程。如果与fex,t-fm,t-1异号，即趋近方向相反，则不对Δxt进行响应。由于在运动过程中接触力保持不变对于操作者是容易控制的，这种处理方式在保持系统稳定的前提下加快了fm,t到fp,t的趋近速度，即加快了模型更新速度。当不存在参数更新时，fex,t中包含了运动导致的预测力变化，使得fm,t＝fex,t，即该算法完全不影响无参数更新过程中的正常力变化。同时，在任意时刻扰动力fab的取值小于预先规定的保证了模型更新过程中，系统处于可控状态。由于直接对输出渲染力进行控制，该算法能够处理系统能量减少的情况。例如在计算得到的接触力突然减小时，能够使渲染的接触力逐渐降低，给予了操作者充足的反应时间，避免了不期望的位置波动。步骤三、定义和分别为t时刻合理期望力的最大值和最小值：则更新过程中t时刻的突变力为：本专利技术达到的有益效果：(1)排除了主端位置对渲染力变化的影响，更新速度加快；(2)维持系统稳定性的同时，预防突变力过大。附图说明图1为初次实验条件下的力和位置实验图；图2为连续变化实验。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本专利技术，并不用于限定于本专利技术。在图1中将fm设为0.002N，在t＝10s和t＝20s的两次突变中，fm均连续稳定变化，操作者没有“接触物体突然消失”和“被弹起”的体验，主端位置稳定变化，没有震荡或明显的超调值出现。在图2中设计连续变化的而且同时存在刚度更新和位置更新的实验并与渐进更新算法比较。环境刚度初始值为1100N/mm每10s在1100N/m与100N/m之间切换一次。环境位置初始值为0m，每5秒在0m和0.02m之间切换一次。实验结果可见，本算法在同时存在环境刚度和环境位置的更新时，都对主端输出反馈力做出了有效控制，输出力和主端位置均连续、稳定变化，直接控制输出渲染力fm来使输出力尽快趋近于计算值fp。以上是本专利技术的较佳实施方式，但本专利技术的保护范围不限于此。任何熟悉本领域的技术人员在本专利技术所揭露的技术范围内，未经创造性劳动想到的变换或替换，都应涵盖在本专利技术的保护范围内，因此本专利技术的保护范围应以权利要求所限定的保护范围为准。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于渲染力的环境模型更新算法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、将正常操作中主端位置变化导致的预测力变化与突变力分离，不限制正常运动导致的预测力的较快变化。记fex，t为设定的t时刻操作者预期力，将fp，t与fex，t的差值记为t时刻的扰动力fab，t，输出渲染力为fm，t。算法描述如下：

【技术特征摘要】
1.一种基于渲染力的环境模型更新算法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、将正常操作中主端位置变化导致的预测力变化与突变力分离，不限制正常运动导致的预测力的较快变化。记fex，t为设定的t时刻操作者预期力，将fp，t与fex，t的差值记为t时刻的扰动力fab，t，输出渲染力为fm，t。算法描述如下：fab,t＝fp,t-fex,t(3)fm,t＝fex,t+SAT(fab,t)(4)其中SAT(fab,t)为饱和函数，将fab限制到采样周期ΔT内的最大变化量以内。步骤二、将fex,t限制于保持不变或变化量与距离成正比的范围内，并取接近fp,t的值。存在参数更新时，fm,t随时间趋于fp,t，在趋近过程中，如果主端运动导致的力变化与趋近方向一致，由于对于操作者是可感知的，令加速趋近过程。如果与...

【专利技术属性】
技术研发人员：丁宇堃，宋荆洲，孙汉旭，贾庆轩，薛载敬，
申请(专利权)人：北京邮电大学，
类型：发明
国别省市：北京,11