[發(fā)明專利]一種空間機(jī)械臂用力反饋手柄的參數(shù)控制方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202011293762.7
• 申請日: 2020-11-18
• 公開（公告）號(hào): CN112677168B
• 公開（公告）日: 2023-04-07
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 邱新安;馬動(dòng)濤;魏志明;段福偉;馮軍;周震;曾政菻;朱博
• 申請（專利權(quán)）人: 蘭州空間技術(shù)物理研究所
• 主分類號(hào): B25J13/02
• 分類號(hào): B25J13/02
• 代理公司: 北京理工大學(xué)專利中心 11120
• 代理人: 田亞琪

1.一種空間機(jī)械臂用力反饋手柄的參數(shù)控制方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟一、操作手柄末端，通過安裝在手柄各關(guān)節(jié)處的編碼器檢測出關(guān)節(jié)角的位移量；

步驟二、根據(jù)關(guān)節(jié)角解算出手柄末端的姿態(tài)角；

步驟三、構(gòu)建手柄反饋力的計(jì)算模型，根據(jù)計(jì)算模型計(jì)算手柄輸出的反饋力，求解手柄反饋力控制參數(shù)范圍，設(shè)定初始值；手柄上電后的初始模式下，其手柄反饋力的計(jì)算模型采用回復(fù)力與阻尼力疊加計(jì)算；其中，手柄的回復(fù)力與手柄末端偏離零位的夾角成正比，方向指向手柄零位；手柄的阻尼力與手柄關(guān)節(jié)移動(dòng)的角速度成正比，方向與運(yùn)動(dòng)方向相反；當(dāng)手柄執(zhí)行精細(xì)操作或快接近目標(biāo)物體或障礙物時(shí)，手柄通過接收解析機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)來調(diào)節(jié)手柄的狀態(tài)系數(shù)，通過增加手柄有益阻力的形式來減弱人手在操作時(shí)的抖動(dòng)，提高手柄執(zhí)行任務(wù)的精確度，或?qū)C(jī)械臂末端進(jìn)行力覺再現(xiàn)；當(dāng)操作手柄控制機(jī)械臂到達(dá)典型位置時(shí)，手柄輸出振動(dòng)提示信號(hào)，警示操作者，期間將警示力矩疊加到手柄的反饋力中；警示力為Csin2πft，其中C為警示力調(diào)節(jié)系數(shù)，f為手柄末端的抖動(dòng)頻率；

手柄末端的反饋力由手柄的回復(fù)力T_回與阻尼力T_阻構(gòu)成，獲得手柄末端的姿態(tài)角后，求得手柄實(shí)際末端姿態(tài)角與零位姿態(tài)之間的夾角(α_x，α_y，α_z)，其中，ox₀y₀z₀為手柄零位姿態(tài)坐標(biāo)系，oxyz為手柄末端的實(shí)時(shí)姿態(tài)動(dòng)坐標(biāo)系；設(shè)x軸與x₀軸之間的回復(fù)力矩為T_x，y軸與y₀軸之間的回復(fù)力矩為T_y，z軸與z₀軸之間的回復(fù)力矩為T_z，三個(gè)軸向?qū)?yīng)的回復(fù)力調(diào)節(jié)系數(shù)為k_x、k_y、k_z；則手柄回復(fù)力的合力矩則是三個(gè)方向的力矩k_xT_x、k_yT_y、k_zT_z的矢量和；手柄末端的阻尼力與關(guān)節(jié)的角速度大小成正比，方向與運(yùn)動(dòng)方向相反；通過采集t時(shí)刻的關(guān)節(jié)角θ_t及t-1時(shí)刻的關(guān)節(jié)角θ_t-1，再除以采樣時(shí)間間隔即可獲得當(dāng)前關(guān)節(jié)角的角速度ω；設(shè)手柄末端的阻尼系數(shù)為B，則手柄末端對(duì)應(yīng)的阻尼力為Bω；

手柄的反饋力在實(shí)際調(diào)試中需驗(yàn)證其回復(fù)力調(diào)節(jié)系數(shù)及阻尼力調(diào)節(jié)系數(shù)；當(dāng)回復(fù)力調(diào)節(jié)系數(shù)過大時(shí)引起回復(fù)力過大，需要引入阻尼力并適應(yīng)性調(diào)節(jié)阻尼力系數(shù)，以此來減少手柄來回振蕩的現(xiàn)象；當(dāng)回復(fù)力調(diào)節(jié)系數(shù)過小時(shí)，會(huì)造成手柄在回到零位附近無力，從而影響回零，引起較大回零誤差；綜上，通過手柄操作的模擬訓(xùn)練，獲取手柄反饋力調(diào)節(jié)中回復(fù)力調(diào)節(jié)系數(shù)與阻尼力調(diào)節(jié)系數(shù)的動(dòng)態(tài)范圍與參考組合，同時(shí)結(jié)合任務(wù)需要調(diào)節(jié)狀態(tài)系數(shù)A及警示力系數(shù)C，從而帶來手柄操作的最佳用戶體驗(yàn)；

步驟四、進(jìn)入訓(xùn)練模式，根據(jù)不同人員對(duì)反饋力的體驗(yàn)，制定反饋力控制參數(shù)，并存儲(chǔ)參數(shù)，制定個(gè)人配置；手柄力反饋的參數(shù)調(diào)節(jié)頁面，包括自動(dòng)調(diào)節(jié)和手動(dòng)調(diào)節(jié)；其中，自動(dòng)調(diào)節(jié)無需參數(shù)輸入，通過后臺(tái)程序解算自動(dòng)完成手柄反饋力的調(diào)節(jié)；手動(dòng)調(diào)節(jié)可開放力反饋的配置參數(shù)，為操作者提供更加細(xì)致的力反饋調(diào)節(jié)體驗(yàn)，以期達(dá)到操作者的最佳用戶體驗(yàn)；

步驟五、執(zhí)行在軌操作任務(wù)時(shí)，進(jìn)入?yún)?shù)配置頁面，切換加載個(gè)人配置，完成手柄反饋力的用戶定制。

2.如權(quán)利要求1所述的一種空間機(jī)械臂用力反饋手柄的參數(shù)控制方法，其特征在于，編碼器安裝于手柄的關(guān)節(jié)處，通過采集編碼器的原始信號(hào)，計(jì)算各個(gè)關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)角，為手柄的反饋力計(jì)算提供輸入?yún)?shù)。

3.如權(quán)利要求1所述的一種空間機(jī)械臂用力反饋手柄的參數(shù)控制方法，其特征在于，通過求解手柄機(jī)構(gòu)的雅克比逆矩陣，計(jì)算手柄末端的姿態(tài)角。

4.如權(quán)利要求1所述的一種空間機(jī)械臂用力反饋手柄的參數(shù)控制方法，其特征在于，在執(zhí)行真實(shí)任務(wù)前或者地面模擬訓(xùn)練過程中，可采用真實(shí)力反饋手柄與虛擬機(jī)械臂結(jié)合的方式，通過操作手柄驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂模型完成虛擬機(jī)械臂的位置控制并模擬在軌操作任務(wù)；根據(jù)用戶體驗(yàn)調(diào)節(jié)反饋力和警示力的大小，存儲(chǔ)參數(shù)，完成用戶個(gè)人參數(shù)的定制。