本发明专利技术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。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种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。技术背景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一从 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《立置复合控制方案，并在手控器的控制程序中加入了状态观测器(Disturbance observer),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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术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。现实中使用的主一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。本专利技术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。本专利技术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。本专利技术提供的手控器，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ll-x轴角度 传感器 12-本文档来自技高网...
【技术保护点】
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。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：赵丁选，尚涛，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：82[中国|长春]
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