一种基于干扰观测器的机械系统无力传感触觉力估计方法技术方案

本发明专利技术涉及一种基于干扰观测器的机械系统无力传感触觉力估计方法，建立配备电机位置传感器的机械系统动力学模型，合外干扰包含已知频率周期振动干扰与低频非周期干扰两部分，低频非周期干扰中的建模不确定性表示成乘积摄动模型的形式；根据干扰中的非周期部分及高频噪声频段特性，在标准H

【技术实现步骤摘要】
一种基于干扰观测器的机械系统无力传感触觉力估计方法


[0001]本专利技术涉及一种基于干扰观测器的机械系统无力传感触觉力估计 (Sensorless Haptic Force Estimation)方法，可用于康复机器人、远程高空作业、 远程医疗手术机器人等，作为触觉传感器估计机械系统末端的外触觉力。

技术介绍

[0002]自1987年法国医师Philippe Mouret完成首例腹腔镜胆囊切除手术以来， 微创手术因其创伤小、减轻患者手术疼痛、缩短患者住院时间等优点在越来越 多的传统手术中获得了革命性的成功，包括胆囊切除术、前列腺切除术、阑尾 切除术、子宫切除术、肾切除术、冠状动脉旁路移植术等。然而，微创手术却 在感知和运动方面存在着固有的缺陷，医生不能直接接近操作区域，因此就会 失去直接接触带来的触觉感知，同样的，手术器械与患者组织之间的力觉信息 也会受到限制或产生扭曲。这些都对医生开展组织触摸手术来鉴别组织属性(例 如刚度和弹性模量)和组织异变带来了困难。如前所述，由于难以获得与患者组 织之间的接触信息，医生在执行组织牵拉、分离、缝合等精细手术操作时想要 施加精确的作用力就会变得很困难。最近几年来，有关人机接触交互和微创手 术机器人触觉再现的研究可以为医生提供力觉和触觉反馈，辅助医生执行手术， 增强医生手术灵活性。
[0003]专利202011528330.X中设计了一种基于振动阵列的触觉刺激系统及方法， 采用振动阵列指令生成装置将原始数据点阵中的信息数据转换成控制指令后发 送给触觉刺激装置；触觉刺激装置的控制器根据控制指令使振动阵列相应的刺 激阵子起振；刺激阵子对原始传达数据轮廓进行展示；振动阵列为单组或多组， 根据原始传达数据和初始化参数自动生成控制指令实时用振动来显示相对应的 轮廓点阵图像，进而与使用者进行信息传递，但是该方法限制了触觉信息再现 的应用场景，由于振动机制本身会带来额外扰动，对于触觉信息测量的精确性 有待商榷，也无法滤除系统本身的外干扰。
[0004]专利202110030892.X中提出了一种基于超声波相控阵技术的非接触式触 觉反馈系统，该方法将利用超声波换能器阵列向特定区域发射超声波，根据特 定区域的超声波反馈坐标参数，计算各个通道的控制信号，实现超声波换能器 相位的精确控制，实现基于超声波相控阵的非接触式触觉反馈，增强了触觉反 馈的应用范围，减少了接触式触觉固有的摩擦等外部干扰。但该方法局限于近 距离的非接触式触觉信号测量，对于稍远距离的触觉信号则适应性不强，且对 发射超声信号的特定区域环境要求较为苛刻，测量结果不稳定扰动较大。
[0005]文献1(E.Sariyildiz and K.Ohnishi,“An adaptive reaction force observerdesign.”IEEE Transactions on Mechatronics,vol.20,pp.750
‑
760,2015.)提出了一 种自适应力反馈观测器，该方法通过自适应的方法自动设计最优力观测器，而 不依赖设计者自身经验，具有更高的力控制带宽，更好的稳定性，并可实现无 外加力传感器的力控制。然而，该算法没有考虑模型中的可建模误差和干扰， 无法将触觉外力从混杂有摩擦等其他低通信号的干扰中分离出来。
[0006]文献2(Z.H.Zhao,J.Yang,C.J.Liu and W.H.Chen,“Nonlinear compositebilateral control framework for n
‑
DOF teleoperation systems with disturbances.
”ꢀ
Science China
‑
Information Sciences,vol.61,pp.1
‑
18,2018.)提出了一种基于双 观测器的遥操作系统触觉再现及控制方法，该方法利用模型干扰观测器和工作 空间干扰观测器，对力和位置信息进行解耦，并对从端机械系统所受外力干扰 进行估计，通过补偿和抑制，实现主端机械系统触觉力的再现。但是该方法具 有触觉力和周期性干扰耦合，无法准确分离，设计较为复杂等缺点。
[0007]上述现有技术可实现触觉外力的获取和再现，但获取的集总触觉外力信号 中普遍存在周期性低频干扰、高频噪声和建模不确定性等干扰，存在无法得到 精确触觉力的不足，稳定性也较差。

技术实现思路

[0008]本专利技术技术解决问题：针对上述集总触觉外力估计和测量方法中由于存在 周期性低频干扰、高频噪声和建模不确定性等干扰，而无法得到精确触觉力的 不足，提供一种基于鲁棒周期干扰观测器的机械系统无力传感触觉力估计 (Sensorless Haptic Force Estimation)方法，提升触觉传感带宽及精度。
[0009]本专利技术的技术解决方案为：一种基于干扰观测器的机械系统无力传感触觉 力估计方法，其特征在于针对一类无外接力传感器的机械系统，通过加入鲁棒 周期干扰观测器，实现触觉外力的在线估计，包括以下步骤：
[0010]第一步，建立基于配备电机位置传感器的机械系统动力学模型，此机械系 统动力学模型中的合外干扰包含已知频率周期振动干扰与低频非周期干扰两部 分，低频非周期干扰中的建模不确定性表示成乘积摄动模型的形式；
[0011]第二步，基于第一步动力学模型中低频非周期干扰及高频噪声频段特性， 在标准H
∞
控制问题框架下确定优化策略，在连续域中得到鲁棒干扰观测器q
a
(s)， 分离外干扰中的低频慢变外力信号；
[0012]第三步，基于第一步动力学模型中周期干扰的已知频率特性，在离散域中 设计指定频率陷波器q
p
(z)；
[0013]第四步，结合第二步中设计的干扰观测器和第三步中的指定频率陷波器， 设计复合鲁棒周期干扰观测器Q(z)；
[0014]第五步，利用所述复合鲁棒周期干扰观测器，建立机械系统触觉力的模型， 实现末端触觉力的估计与分离。
[0015]所述第一步中，建立基于配备电机位置传感器的机械系统动力学模型的表 达式如下：
[0016][0017]其中，θ表示电机输出角度，为θ的二阶导数，表示电机输出角加速度， J表示电机惯性矩，τ为力矩，τ
m
和τ
d
分别表示电机总产生力矩和合外干扰力；
[0018]将总干扰τ
d
离散化，数学形式建模如下：
[0019]τ
d
(k)＝d
p
(k)+d
a
(k)
[0020]d
p
(k)＝d
p
(k
‑
N)+ρ(k)
[0021]其中，τ
d
(k)为合外干扰，d
p
(k)和d
a
(k)分别为同时存在的周期性振动干扰和 低本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于干扰观测器的机械系统无力传感触觉力估计方法，其特征在于：针对一类无外接力传感器的机械系统，通过加入复合鲁棒周期干扰观测器，实现触觉外力的在线估计，包括以下步骤：第一步，建立基于配备电机位置传感器的机械系统动力学模型，此机械系统动力学模型中的合外干扰包含已知频率周期振动干扰与低频非周期干扰两部分，低频非周期干扰中的建模不确定性表示成乘积摄动模型的形式；第二步，基于第一步动力学模型中低频非周期干扰及高频噪声频段特性，在标准H
∞
控制问题框架下确定优化策略，在连续域中得到鲁棒干扰观测器q
a
(s)，分离外干扰中的低频慢变外力信号；第三步，基于第一步动力学模型中周期干扰的已知频率特性，在离散域中设计指定频率陷波器q
p
(z)；第四步，结合第二步中设计的鲁棒干扰观测器和第三步中的指定频率陷波器，设计复合鲁棒周期干扰观测器Q(z)；第五步，利用所述复合鲁棒周期干扰观测器，建立机械系统触觉力的模型，实现末端触觉力的估计与分离。2.根据权利要求1所述的一种基于干扰观测器的机械系统无力传感触觉力估计方法，其特征在于：所述第一步中，建立基于配备电机位置传感器的机械系统动力学模型的表达式如下：其中，θ表示电机输出角度，为θ的二阶导数，表示电机输出角加速度，J表示电机惯性矩，τ为力矩，τ
m
和τ
d
分别表示电机总产生力矩和合外干扰力；将总干扰τ
d
离散化，数学形式建模如下：τ
d
(k)＝d
p
(k)+d
a
(k)d
p
(k)＝d
p
(k
‑
N)+ρ(k)其中，τ
d
(k)为合外干扰，d
p
(k)和d
a
(k)分别为同时存在的周期性振动干扰和低频非周期干扰，k表示离散时间变量，N表示干扰的周期，ρ(k)为周期干扰的更新率，模型如下：其中，ρ0(k)为周期干扰的更新函数；将模型不确定性表示为如下乘积摄动形式的集合：Ω
J
＝{J
s
(s)＝J
n
(s)
·
[I+
△
(s)W(s)]|||
△
(s)||
∞
<1}其中，s为传递函数复变量，J
s
表示真实电机惯量，J
n
表示标称电机惯量，I为单位阵，||
·
||
∞
表示H
∞
范数，
△
(s)表示实际对象频率特性对名义模型的摄动，满足
△
(s)∈RH
∞
，称为尺度因子，W(s)是归一化权函数，假定
△
(s)和W(s)是稳定的传递函数，而且
△
(s)的摄动不构成J
n
中不稳定极点的消除，即，J
n
和J
s
具有相同的不稳定极点，此时
△
(s)是可容许的。3.根据权利要求1所述的一种基于干扰观测器的机械系统无力传感触觉力估计方法，其特征在于：所述第二步中，在标准H
∞
控制问题框架下确定优化策略，给出等效开环传递函数如下：
其中，表示虚拟回路，为虚拟被控对象，为虚拟控制器，q
a
(s)为待设计的鲁棒干扰观测器；为了保证等效传感回路中，q
a
(s)
·
P
n
‑1(s)是物理可实现的，需满足：q
a
(s)∈Ω
μ
，Ω
μ
＝{F(s)|F(s)＝N(s)/D(s),deg(D(s))
...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭雷，魏嫣然，朱玉凯，乔建忠，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：