機器人觸感裝置力位解耦控制策略研究

張海濱（鶴壁煤業技師學院，河南鶴壁458030）

機器人觸感裝置力位解耦控制策略研究

張海濱
（鶴壁煤業技師學院，河南鶴壁458030）

通過將觸感裝置關節處的摩擦計入到系統的動力學模型中，在現有的力位補償方法基礎上分別建立摩擦力、重力、慣性力補償模型進行附加力補償，對于附加位移也通過建立附加位移模型進行了補償，從而有效地提高了系統透明性及穩定性，使觸感裝置的控制精度更高，抗干擾能力更強。

觸感裝置；補償；附加位移

隨著虛擬現實技術和交互式遙操作機器人技術的快速發展及廣泛應用，可作為人機接口裝置的觸感裝置的需求量逐年攀升。觸感裝置既可以直接通過操作者手部位置信息控制遠端機器人或虛擬現實中的機器人，實現遙控操作[1]。同時，它也將從端機器人或者虛擬環境中傳感器感覺到的力或力矩信號反饋給操作者，使得處于近端的操作者擁有臨場感，實現遠距離作業或者與虛擬環境的觸覺交互。無論在虛擬現實領域還是遙操作領域，透明性的研究一直是各國學者研究的熱點，其中，影響其透明性的因素之一即為觸感裝置的動力學特性，其主要表現在兩方面，其一是觸感裝置的力位耦合使得觸感裝置本身的重力、摩擦力以及慣性力等連同反饋作用力一起反饋給操作者，使操作者不能感受到真實的作用力，影響下一步操作，另一方面是力位耦合使得從端或者虛擬環境傳遞回的反饋作用力對觸感裝置的位置命令信息產生干擾，導致從端或者虛擬環境從手不能準確的跟蹤觸感裝置的位置命令。本文針對觸感裝置的動力學特性，展開對其力位解耦的控制研究。根據觸感裝置的完整動力學模型，建立了附加位移模型。

1　附加力補償

引入力反饋時，計入附加轉矩的動力學模型應為：

θmu表示觸感裝置期望關節運動軌跡，從式（1）可以看出，為了使操作者感受的力矩等于反饋力矩：

對于觸感裝置的附加力矩，分三部分對其進行補償，主要補償重力、慣性力和摩擦力對反饋力的影響[2]。

為消除重力、慣性及摩擦對反饋作用力的干擾，各國研究者做出了巨大的努力，本文在總結各種力補償方法的基礎上提出了自己的見解。

1.1重力補償

對于重力補償的問題主要通過機械結構的優化，通過絲傳動設計，可以將控制關節及傳遞力反饋信息的電機安裝在觸感裝置底座中，這樣就減少了重力項在觸感裝置動力學中的影響，剩余的機械結構部分重力影響通過建立的數學模型，利用該模型的轉矩輸出，實現對重力的補償。

根據其重力項的相應計算，給予對應的重力補償：

1.2摩擦力補償

現有兩種策略可用于摩擦力的補償。

（1）通過對觸感裝置特性的研究選擇了Cou?lomb+Viscous摩擦模型，將其計入整體動力學模型中。通過建立摩擦力模型，利用該模型的轉矩輸出，可以實現對摩擦力的補償。

（2）對包括觸感裝置摩擦力在內的一些外界干擾力，通過設計干擾觀測器對其進行了預測，并且通過仿真可以看出其估測較準確，可以通過干擾觀測器的預測對觸感裝置進行實時的補償。

1.3慣性力補償

由于慣性力為變量的二階項，在實際應用中歸類于噪聲，難于估計，所以觸感裝置在慣性力補償方面的研究工作現階段少見于文獻，在觸感裝置的操作過程中，不能忽略慣性力對反饋力的影響，因為操作者不可能時刻保持勻速運動，當加速或減速時，不可避免的產生慣性力，與反饋力疊加在一起。本文通過建立慣性力的數學模型，利用其數學模型的輸出轉矩來實現慣性力的補償。

慣性力之所以難以確定，源于其實時位移的二階項難以確定，本文設計加速度觀測器對觸感裝置加速度進行觀測，進而獲得其慣性力，并進行相應的補償。

觸感裝置的動力學模型為：

其中，τs為操作者的抓持力映射到各關節的關節力矩，為操作者施加給觸感裝置的力或力矩，亦可稱為操作者感受到的反饋力及力矩，可通過在觸感裝置的夾持部分的力覺傳感器測量得到，為觸感裝置jacobin矩陣，θ為電機關節轉角，τm為電機轉矩。

從式（5）中，忽略哥氏力項的影響，本文設計加速度觀測器為：

2　位置補償

現有的補償方法主要體現在圖1中的低通濾波器Ku，低通濾波器Kλ及附加模型的傳遞函數bs三部分上，下面將詳細介紹其補償策略。

圖1　附加位移補償框圖

2.1位置補償方法概述

（1）局部微分反饋補償法。其本質是在其控制系統中加入局部微分反饋，使得觸感裝置的阻尼增加。此阻尼項疊加到力反饋信號中，一起作用于觸感裝置驅動電機，但是此阻尼項施加的是與反饋力方向相反的控制信號，把電機的速度限制到了一定的區域內。局部微分反饋補償法有效地抑制了系統的振蕩，但卻使得控制系統的動態響應能力降低。

（2）位置信號濾波補償法。該方法的本質是在從操作端通過一個低通濾波器Ku對系統的從操作手位置指令進行補償，低通濾波器有效地降低了觸感裝置位移指令中的高頻成分，提高了系統的穩定性，但是從操作手的快速性及跟蹤性卻受到了限制。

（3）反饋力信號濾波補償法。該方法也是通過對位置信息的補償實現的，類似于上面提到的方法，其本質是在通過一個低通濾波器Kλ，將力反饋信息中的高頻瞬變成分過濾掉，然后再將此力反饋信息傳遞給觸感裝置，減少了力反饋信息對系統的附加位移量，提高了系統穩定性。但是，由于缺失了力覺信息中的高頻成分，操作者不能感受真實的力覺信息。

觸感裝置位置補償的實質是，以反饋力矩τf為輸入，當它與抓持力矩τu不匹配時，觸感裝置便會產生附加位移θmi，θmi可經系統動力學正解得到，將其與編碼器輸出的觸感裝置實際位移θm加在一起，得到操作者預期的主手位移θmu，作為運動指令發送給從手。本設計通過建立附加位移模型，通過參數辨識得到其具體模型，將附加模型計算得到的位移量計入到系統的位置控制信息中，消除附加位移。

2.2附加位移模型及補償

設計觸感裝置的附加運動模型如圖2所示，根據機電網絡的對比關系，可得到如下方程：

其中：

圖2　觸感裝置非線性集總參數模型

通過對上述模型的參數辨識，可得到系統的具體附加位移模型。

此系統的傳遞函數為：

通過計入附加模型，得到更加精確的位置命令xc，如式（8）所示。

圖3　附加位移模型

3　結束語

本文簡要介紹了力位解耦問題及現有的力位補償方法，在此基礎上分別建立摩擦力、重力、慣性力補償模型進行附加力補償，對于附加位移也通過建立附加位移模型進行了補償，此外通過設計直接力反饋控制結構，完成對觸感裝置的整體設計。

［1］孟建軍，贠今天，劉鋼，等.6+1維力反饋觸感裝置［P］.中國專利：CN201110045093.6.

［2］古軍保，贠今天，董旭，等.具有力—位補償的觸感裝置控制體系結構［J］.機電工程，2009（9）：73-76.

(編輯：阮毅)

Robot Tactile Device Power Decoupling Control Strategy Research

ZHANG Hai-bin
（HebiCoal Technical Institute，Hebi458030，China）

In this article，through the haptic device friction joints in to the system dynamicsmodel，based on the force of the existing compensationmethods respectively to establish the friction，gravity，inertia force additional force compensation，compensationmodel for additional displacement is through the establishment of additional displacementmodel compensation，so as to effectively improve the system stability，transparency and higher controlprecision of the haptic device，strongeranti-interferenceability.

haptic device；compensation；additionaldisplacement

TP242

A

1009－9492(2015)06－0056－03

10.3969/j.issn.1009-9492.2015.06.013

2015－01－09

張海濱，男，1979年生，河南周口人，大學本科，講師。研究領域：機電技術。已發表論文9篇。