本发明专利技术涉及一种多自由度电液伺服遥操纵机械手力反馈控制方法，可广泛用于空间探索、海洋开发、原子能应用、军事战场、抢险救助等代替人于危险或有害环境中从事作业任务。该方法以主－从端关节空间角度偏差形成反馈力，以雅可比矩阵构成的多维位置约束空间和冗余自由度空间矩阵形成反馈力增益，在主动侧形成与从动侧相同的位置空间，为遥操作者了解作业反力和因干涉产生的力觉信息。该方法通过在主动侧建立与从动侧完全相同的位置空间约束，使操作者通过反馈力的大小、方向和发生干涉自由度信息，把握从动侧干涉情况，真实地获得力觉临场感。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种，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。
技术介绍
在对遥控作业的机械手进行遥操纵时，操作者不但需要为其提供视觉信息，而且需要了解作业反力和因障碍干涉产生的力觉信息。控制策略设计是遥操纵力反馈系统设计的关键环节，相同控制结构但控制策略不同的遥操纵系统的力反馈效果和操作性能会有较大差异。针对遥操纵机械手的力觉双向伺服控制系统，目前国际上已经尝试了多种主一从伺服控制策略，主要概括为“位置一力”及“位置一位置”等控制结构。这些力反馈控制方法具有统一的特征( I)采用主一从动侧的力和位移信息融合，构成了多种不同的力反馈双向控制策略。(2)只考虑了反馈力的大小而忽略了方向，从而对多自由度主一从遥操纵系统操控性差。(3)仅针对主一从动侧系统自由度数目和动力学特性相同的遥操纵控制系统。通过试验发现这些方法存在如下问题(I)主一从多自由度系统力反馈效果差；当力与位移强耦合时，操作者不能较好地把握从动侧干涉和位移情况。(2)对位置一力反馈型控制策略，从动侧与障碍物发生干涉的自由度为非末端安装检测力传感器的自由度，则操作者无法感知到该干涉力而造成操纵失败。(3)力反馈控制策略通用性不强，无法满足广泛应用日益多样化的主一从遥操纵设备的需要。“位置一位置”控制策略的主动侧反馈力由主一从位置差、检测力信号形成，即使干涉力发生在非力传感器安装自由度，由于有位置偏差存在，操作者仍然可以通过操纵手柄感知到反馈力。在保证系统稳定性的前提下，使用“位置一位置”控制结构实现了较为理想的力觉反馈。但该控制策略只考虑了反馈力的大小而忽略了方向，操作者无法真实获得从动侧干涉力方向信息。当操作者在操纵多自由度主一从系统作业时，由于从动侧力和位移的强耦合，从而无法准确感知从动侧干涉力和位移情况，造成操作失败。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种，解决了现有技术存在的上述问题，使操作者更好地获得从动侧机械手与障碍物发生干涉力的大小、方向和发生干涉自由度信息。本专利技术采用“位置约束空间”双向伺服控制方案，打破了目前一直沿用的“位置一力”和“位置一位置”的双向伺服力反馈控制方法的惯例。主要思想为主动侧操纵手柄不是从动侧力和位置相互作用的跟随，而是为操作者提供与从动侧完全相同约束的设备。当从动侧任意自由度与障碍物发生干涉时，在主动侧操纵手柄上能够形成与从动侧相同的位置空间，使操作者感知从动侧干涉力大小、方向和发生干涉的自由度信息。本专利技术的优点是可以使操作者更好地把握从动侧机械手与环境干涉情况与位置状况，可以获得真实的力感觉。本专利技术可广泛用于空间探索、海洋开发、原子能应用、军事战场、抢险救助等代替人于危险或有害环境中的重要作业任务，也可用于远程医疗、虚拟现实、游戏娱乐等领域中。本专利技术的上述目的通过以下技术方案实现，在主动侧设置与从动侧完全相同约束的设备，当从动侧任意自由度与障碍物发生干涉时，在主动侧操纵手柄上能够形成与从动侧相同的位置空间，使操作者感知从动侧干涉力大小、方向和发生干涉的自由度信息；设从动侧为6自由度机械手，公式(I )、( 2 )和(3 )所示，操作空间向关节空间的力映射转换成广义约束在操纵手柄各自由度实现出来，使操作者完全把握从动侧各自由度干涉力大小、方向和障碍物作用的自由度，使操作者仿佛身临现场操作一样； (Fr) 6X1- Φπι) 6X6 * ( -* ) 6Χ1+( ) 6X6 · ^d) 6X1(l)Rm= (2)Rg= ⑶式中Fk为反馈力，％与(13分别为主动侧操纵手柄受到操纵力后期望达到的关节角度空间和从动侧机械手实际达到的关节角度空间；Rm为位置约束空间矩阵，义为冗余自由度空间矩阵，J为从动侧机械手雅可比矩阵，J+为其广义逆矩阵，I为单位矩阵；公式(2)中“丄”为正交补空间；其具体实现步骤如下(I)当操作者在主动侧施加操纵力时，由各自由度液压缸上端的力传感器检测出操作者在该自由度上的作用力，并经放大电路放大，与从动侧机械手在对应自由度上的干涉力检测值经力调整器单元的比较运算后，经从动侧控制器单元转换输出驱动从动侧机械手运动产生位移；(2)同时操纵力经主动侧控制器计算出操纵手柄在该操纵力作用下，各自由度期望位移，再经逆运动学解算出主动侧机械手理论上达到的关节空间角度；(3)由步骤(I)产生的驱动力，经从动侧控制器得到由该驱动力使从动侧各自由度产生的位移，计算得到从动侧机械手实际达到的关节空间角度；与主动侧期望达到的关节空间角度比较运算，若两者之间有差值，即从动侧任一自由度与障碍物干涉，则将该差值与位置约束空间矩阵相乘，形成多维力反馈控制信号；(4)多维控制信号控制伺服阀换向或改变流量，驱动操纵手柄各自由度作反向平移或转动，使操作者感受到从动侧干涉力；由于控制量为多维控制信号，操作者可同时感受到干涉力大小、方向和发生干涉的自由度。本专利技术的有益效果在于(I)提出以雅可比矩阵组成的约束空间矩阵代替数值增益，与关节空间角度偏差的乘积来形成反馈力，其包含了干涉力的大小、方向和发生干涉自由度信息，在主动侧形成与从动侧相同的位置空间，使操作者能够把握从动侧干涉情况，能更加真实地获得反馈力感觉。(2)通用性好，对自由度数目及运动学特性不同的主一从系统仍然适用。附图说明此处所说明的 附图用来提供对本专利技术的进一步理解，构成本申请的一部分，本专利技术的示意性实例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。图I为本专利技术的控制框图；图2为本专利技术的控制系统示意图；图3为本专利技术实施例中第一号液压缸位移曲线不意图；图4为本专利技术实施例中第三号液压缸位移曲线示意图；图5为本专利技术实施例中第一号液压缸反馈力曲线示意图；图6为本专利技术实施例中第三号液压缸反馈力曲线示意图。图中1·主动侧操纵手柄；2.上活动平台；3.力传感器；4.下固定平台；5.位移传感器；6.伺服阀I ; 7.伺服阀II ； 8. A/D转换器I ; 9. A/D转换器II ；10. A/D转换器III ; 11.A/D转换器IV; 12.D/A转换器I ; 13. D/A转换器II ; 14.控制单元；15.从动侧机械手；16.放大电路。具体实施例方式下面结合附图进一步说明本专利技术的详细内容及其具体实施方式。参见图I及图2所示，本专利技术的，其主动侧操纵手柄I不是从动侧力和位置相互作用的跟随，而是为操作者提供与从动侧完全相同约束的设备。当从动侧任意自由度与障碍物发生干涉时，在主动侧操纵手柄上能够形成与从动侧相同的位置空间，使操作者感知从动侧干涉力大小、方向和发生干涉的自由度信息。因为从动侧机械手任意自由度都可能与环境障碍物发生干涉，操纵手柄的反馈力信息就应包括大小、方向和发生干涉自由度，这样有利于操作者及时把握从动机械手的当前位置及干涉情况。这一点对操作者看不到从动机械手工作现场时的未确定环境中的遥操纵尤其重要。参见图I及图2所示，本专利技术所应用控制系统包括主动侧电液伺服控制六自由度斯图尔特(Stewart)并联机构操纵手柄、主动侧控制器、位置调整器、力调整器(位置约束空间和冗余自由度空间)、从动侧控制器、从动侧电液伺服控制与主动侧手柄同构并联机械手。当操纵者通过对主动侧操纵手柄I施力，可使手控器上活动平台2沿X轴、y轴和z轴方向做平移或本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种多自由度电液伺服遥操纵机械手力反馈控制方法，其特征在于：当从动侧任意自由度与障碍物发生干涉时，在主动侧操纵手柄上能够形成与从动侧相同的位置空间，使操作者感知从动侧干涉力大小、方向和发生干涉的自由度信息；设从动侧为6自由度机械手，公式（1）、（2）和（3）所示，操作空间向关节空间的力映射转换成广义约束在操纵手柄各自由度实现出来，使操作者完全把握从动侧各自由度干涉力大小、方向和障碍物作用的自由度，使操作者仿佛身临现场操作一样；(FR)6×1=(Rm)6×6·(qd？qs)6×1+(RG)6×6·(Xd)6×1？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？(1)Rm=[Φ(J2,J3,…J6)⊥,Φ(J1,J3,…J6)⊥,…..Φ(J1,J2,…J5)⊥]？？？？？？？？？？(2)RG=[Φ(I？JJ+)]？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？(3)式中：FR为反馈力，qd与qs分别为主动侧操纵手柄受到操纵力后期望达到的关节角度空间和从动侧机械手实际达到的关节角度空间；Rm？为位置约束空间矩阵，RG为冗余自由度空间矩阵，J为从动侧机械手雅可比矩阵，J+为其广义逆矩阵，I为单位矩阵；公式（2）中“⊥”为正交补空间；其具体实现步骤如下：(1)当操作者在主动侧施加操纵力时，由各自由度液压缸上端的力传感器检测出操作者在该自由度上的作用力，并经放大电路放大，与从动侧机械手在对应自由度上的干涉力检测值经力调整器单元的比较运算后，经从动侧控制器单元转换输出驱动从动侧机械手运动产生位移；(2)同时操纵力经主动侧控制器计算出操纵手柄在该操纵力作用下，各自由度期望位移，再经逆运动学解算出主动侧机械手理论上达到的关节空间角度；(3)由步骤(1)产生的驱动力，经从动侧控制器得到由该驱动力使从动侧各自由度产生的位移，计算得到从动侧机械手实际达到的关节空间角度；与主动侧期望达到的关节空间角度比较运算，若两者之间有差值，即从动侧任一自由度与障碍物干涉，则将该差值与位置约束空间矩阵相乘，形成多维力反馈控制信号；(4)多维控制信号控制伺服阀换向或改变流量，驱动操纵手柄各自由度作反向平移或转动，使操作者感受到从动侧干涉力；由于控制量为多维控制信号，操作者可同时感受到干涉力大小、方向和发生干涉的自由度。...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：巩明德，田博，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：
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