[發(fā)明專利]遠(yuǎn)程操縱系統(tǒng)用操縱反力模擬及控制系統(tǒng)

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410558814.7
• 申請日: 2014-10-20
• 公開（公告）號: CN104401393A
• 公開（公告）日: 2015-03-11
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 陳慧;李琪
• 申請（專利權(quán)）人: 同濟(jì)大學(xué)
• 主分類號: B62D6/00
• 分類號: B62D6/00
• 代理公司: 上海智信專利代理有限公司 31002
• 代理人: 吳林松

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于機(jī)械操縱技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及遠(yuǎn)程操縱系統(tǒng)操縱反力模擬技術(shù)。

背景技術(shù)

遠(yuǎn)程操縱系統(tǒng)正廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)與日常生活領(lǐng)域，如遠(yuǎn)程手術(shù)、遠(yuǎn)程機(jī)器人操縱以及應(yīng)用在汽車、飛機(jī)等交通工具上的線控技術(shù)等。遠(yuǎn)程操縱系統(tǒng)通常包含操縱機(jī)構(gòu)以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)，操縱機(jī)構(gòu)作為與操縱人員直接互相作用的接口，其除了起到接收操縱人員的操縱指令作用外，還起到為操縱人員提供必要的操縱反力作用，以增強(qiáng)操縱人員的臨場感覺。

操縱機(jī)構(gòu)內(nèi)部通常裝有位置傳感器和力(力矩)傳感器，以及用以提供操縱反力的反力模擬機(jī)構(gòu)，反力模擬機(jī)構(gòu)對反力模擬效果的好壞，將直接影響到操縱人員的操縱感覺；此外，反力模擬機(jī)構(gòu)往往還要求操縱力特性有較好的可調(diào)節(jié)性，以滿足操縱人員不同的操縱體驗。

現(xiàn)有遠(yuǎn)程操縱系統(tǒng)的操縱機(jī)構(gòu)反力模擬方法主要有兩種，一種是基于執(zhí)行機(jī)構(gòu)實際執(zhí)行力(力矩)的方法，即通過對反力模擬的控制將實際執(zhí)行機(jī)構(gòu)的執(zhí)行力(力矩)復(fù)現(xiàn)出來；另一種是基于模型的計算反力模擬方法，即將操縱機(jī)構(gòu)的操縱位置作為模型的輸入信號，將通過模型計算得到的反力(力矩)作為反力模擬機(jī)構(gòu)的指令力(力矩)。第一種方法基于實際的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其對反力模擬的可調(diào)節(jié)性往往大打折扣，不能實現(xiàn)任意的操縱力特性模擬；而第二種方法所基于的系統(tǒng)模型中往往包含摩擦模型，對摩擦操縱反力進(jìn)行模擬時，由于摩擦模型的非線性特性，常會帶來操縱機(jī)構(gòu)的力(力矩)抖動、系統(tǒng)振蕩、系統(tǒng)響應(yīng)速度慢等問題，給操縱人員的操縱體驗帶來負(fù)面影響。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種能夠不需要實際執(zhí)行機(jī)構(gòu)，僅利用反力模擬機(jī)構(gòu)以及反力模擬控制算法，來實現(xiàn)對包括任意幅值摩擦力在內(nèi)的任意操縱力特性的良好模擬。

為了達(dá)到以上目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種遠(yuǎn)程操縱系統(tǒng)用操縱反力模擬及控制系統(tǒng)，包括操縱機(jī)構(gòu)、位置傳感器、速度傳感器(亦可采用位置傳感器信號微分等方式來替代)、力傳感器、反力模擬機(jī)構(gòu)、功率驅(qū)動、控制器。位置傳感器和力傳感器分別對操縱機(jī)構(gòu)的當(dāng)前操縱位移和操縱力進(jìn)行檢測，控制器接收位置傳感器信號和力傳感器信號，同時實現(xiàn)包括操縱反力的計算、反力模擬控制算法和指令力閉環(huán)控制的功能，并將電壓控制信號輸出給功率驅(qū)動模塊以實現(xiàn)對操縱反力的模擬。

控制器內(nèi)部操縱力矩計算模塊用以實現(xiàn)操縱力特性的計算功能，將操縱力特性分解為剛度項和摩擦項，并可通過對可調(diào)力特性參數(shù)進(jìn)行修改實現(xiàn)任意形狀的操縱力特性，通過接收到的操縱機(jī)構(gòu)位置信號，輸出操縱力的剛度項和摩擦項的計算值。其中，操縱力特性指操縱機(jī)構(gòu)的操縱力與位置和速度的關(guān)系。

可調(diào)操縱力特性根據(jù)距離操縱機(jī)構(gòu)中間位置的遠(yuǎn)近可分為三個區(qū)域：區(qū)域1(操縱機(jī)構(gòu)總體可操縱距離三分之一以內(nèi)范圍區(qū)域)、區(qū)域2(操縱機(jī)構(gòu)總體可操縱距離三分之一至三分之二范圍區(qū)域)和區(qū)域3(操縱機(jī)構(gòu)總體可操縱距離三分之二以外范圍區(qū)域)；可調(diào)操縱力特性的計算主要包括分布在這三個區(qū)域的七個可調(diào)參數(shù)，通過對這七個參數(shù)的調(diào)整便可以實現(xiàn)任意的操縱力特性，這七個參數(shù)主要是：

①區(qū)域1內(nèi)的操縱力特性的比例值K₁：表示區(qū)域1內(nèi)操縱力矩相對于操縱位移的變化率，即操縱力矩對方向盤角度的偏導(dǎo)數(shù)值；

②區(qū)域1內(nèi)的操縱力特性的摩擦力值F₁：表示區(qū)域1內(nèi)操縱力矩中的摩擦力值，即操縱力矩值上限與下限值之差的一半；

③區(qū)域2內(nèi)的操縱力特性的比例值K₂：表示區(qū)域2內(nèi)操縱力矩相對于操縱位移的變化率，即操縱力矩對方向盤角度的偏導(dǎo)數(shù)值；

④區(qū)域3內(nèi)的操縱力特性的比例值K₃：表示區(qū)域3內(nèi)操縱力矩相對于操縱位移的變化率，即操縱力矩對方向盤角度的偏導(dǎo)數(shù)值；

⑤區(qū)域3內(nèi)的操縱力特性的摩擦力值F₃：表示區(qū)域3內(nèi)操縱力矩中的摩擦力值，即操縱力矩值上限與下限值之差的一半；

⑥操縱機(jī)構(gòu)遠(yuǎn)離中間位置過程中的轉(zhuǎn)折位置x₂：表示操縱機(jī)構(gòu)逐漸遠(yuǎn)離中間位置而進(jìn)入到區(qū)域3的一個轉(zhuǎn)折位置；

⑦操縱機(jī)構(gòu)返回中間位置過程中的轉(zhuǎn)折位置x₁：表示操縱機(jī)構(gòu)由遠(yuǎn)離中間位置的區(qū)域逐漸返回中間位置而進(jìn)入?yún)^(qū)域1的一個轉(zhuǎn)折位置。