[發(fā)明專利]一種基于實時力反饋的變阻抗遙操作控制裝置及方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201910412163.3
• 申請日: 2019-05-17
• 公開（公告）號: CN109968361B
• 公開（公告）日: 2020-12-18
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 李健;李貴斌;陳振;劉向東
• 申請（專利權(quán)）人: 北京理工大學;中山市北京理工大學研究院
• 主分類號: B25J9/16
• 分類號: B25J9/16
• 代理公司: 北京高沃律師事務(wù)所 11569
• 代理人: 程華

本發(fā)明公開一種基于實時力反饋的變阻抗遙操作控制裝置及方法。該裝置中，主端姿態(tài)傳感器設(shè)置在主端力反饋設(shè)備上；從端姿態(tài)傳感器和從端力傳感器設(shè)置在從端機械臂的末端；從端力傳感器的信號輸出端分別與阻抗控制器的信號輸入端和卡爾曼濾波裝置的信號輸入端連接；卡爾曼濾波裝置的信號輸出端與主端力反饋設(shè)備的信號輸入端連接；主端姿態(tài)傳感器、從端姿態(tài)傳感器和阻抗參數(shù)輸入模塊的信號輸出端均與阻抗控制器的信號輸入端連接；阻抗控制器的控制輸出端與從端機械臂的控制輸入端連接。本發(fā)明的基于實時力反饋的變阻抗遙操作控制裝置及方法在環(huán)境變化時無需重新對阻抗參數(shù)進行整定，從而能夠適應(yīng)應(yīng)用環(huán)境的變化。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及遙操作領(lǐng)域，特別是涉及一種實時力反饋的變阻抗遙操作控制裝置及方法。

背景技術(shù)

遙操作系統(tǒng)是一類典型的人機交互系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用于核電廠、外太空探索以及遠程醫(yī)療等領(lǐng)域。一個典型的遙操作系統(tǒng)包括位于主端的操作者以及力反饋設(shè)備和位于從端的受控機械臂。主端向從端機械臂發(fā)送運動指令并接收從端機械臂反饋的力信息，通過力反饋設(shè)備向操作者提供真實的觸覺和力覺臨場感，機械臂在操作者控制下在遠端環(huán)境中完成復(fù)雜任務(wù)，仿佛操作者肢體的延伸。

為了保證從端機械臂的安全以及靈活性，從端機械臂的控制通常會采用阻抗控制的方法。采用阻抗控制，可以保證當從端機械臂與外界環(huán)境產(chǎn)生接觸力時，使從端機械臂具有一定的柔順性，從而保證從端機械臂的安全。

目前從端機械臂的阻抗控制方法主要是調(diào)整阻抗控制器的阻抗參數(shù)為固定阻抗參數(shù)，該控制方法是針對某個特定的工作環(huán)境，整定好阻抗控制器中的慣量M、阻尼B以及剛度K并固定。這種方法通常能適應(yīng)該特定的場景，但是當環(huán)境改變時，控制器的性能往往會變差，達不到預(yù)期的效果。如果要保證工作性能，那么阻抗參數(shù)需要針對新的環(huán)境重新整定，無法適應(yīng)應(yīng)用環(huán)境的變化。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種基于實時力反饋的變阻抗遙操作控制裝置及方法，在環(huán)境變化時無需重新對阻抗參數(shù)進行整定，從而適應(yīng)應(yīng)用環(huán)境的變化。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了如下方案：

一種基于實時力反饋的變阻抗遙操作控制裝置，包括：從端機械臂、阻抗參數(shù)輸入模塊、阻抗控制器、主端力反饋設(shè)備、卡爾曼濾波裝置、主端姿態(tài)傳感器、從端姿態(tài)傳感器和從端力傳感器；

所述主端姿態(tài)傳感器設(shè)置在所述主端力反饋設(shè)備上；所述從端姿態(tài)傳感器和所述從端力傳感器設(shè)置在所述從端機械臂的末端；所述從端力傳感器的信號輸出端分別與所述阻抗控制器的信號輸入端和所述卡爾曼濾波裝置的信號輸入端連接；所述卡爾曼濾波裝置的信號輸出端與所述主端力反饋設(shè)備的信號輸入端連接；所述主端姿態(tài)傳感器、所述從端姿態(tài)傳感器和所述阻抗參數(shù)輸入模塊的信號輸出端均與所述阻抗控制器的信號輸入端連接；所述阻抗控制器的控制輸出端與所述從端機械臂的控制輸入端連接；

所述主端姿態(tài)傳感器用于采集所述主端力反饋設(shè)備的運動姿態(tài)得到主設(shè)備姿態(tài)；

所述從端姿態(tài)傳感器用于采集所述從端機械臂的運動姿態(tài)，得到從設(shè)備姿態(tài)；

所述從端力傳感器用于采集所述從端機械臂末端與環(huán)境的接觸力，得到實測接觸力；

所述卡爾曼濾波裝置用于根據(jù)所述實測接觸力通過卡爾曼濾波算法對下一時刻的接觸力進行預(yù)測，得到預(yù)測接觸力；

所述主端力反饋設(shè)備用于根據(jù)所述預(yù)測接觸力向用戶再現(xiàn)所述從端機械臂的與環(huán)境的接觸力；

所述阻抗參數(shù)輸入模塊用于采集用戶選擇的阻抗參數(shù)；

所述阻抗控制器用于根據(jù)所述主設(shè)備姿態(tài)、所述從設(shè)備姿態(tài)、所述阻抗參數(shù)以及所述實測接觸力生成控制所述從端機械臂運動的控制信號；

所述從端機械臂根據(jù)所述控制信號執(zhí)行動作。