一种新型六自由度力反馈手控系统的研究

摘要

力临场感遥操作领域已经扩展到包括不同规模和虚拟世界中的操作，其中的关键部件是力反馈手控制器。摘要提出了一种新型的力反馈机械手控制系统，该系统包括三自由度平动机械手和三自由度旋转机械手，实现了机器人末端执行器的位置和姿态遥操作。三自由度平动手控制器采用创新的基于直线电机的三轴解耦结构;三自由度旋转手控制器采用三轴相交于一点的串联机构，提高了其整体刚度。在对两个平台分别进行运动学、静力学和动力学分析的基础上，系统采用基于零力/力矩的大闭环力控制方法，有效地提高了力/力矩反馈精度。实验结果表明，自制的六自由度力反馈手控制器具有良好的力学性能。平移手部控制器具有以下优点:运动学求解简单，动态响应快，三轴端部定位精度优于0.05 mm，而旋转手控制器的优点是转弯空间宽，大于1 Nm反馈，三轴操作空间分别大于180度，操作精度高。

1.介绍

目前，机器人系统广泛应用于危险作业、灾难、核环境、深海、太空等领域，可以代替人类在危险和极端条件下完成任务[1，2]当机器人在特殊环境中工作时，任务通常要求较高的操作精度[3.- - - - - -5］.

由于人的决策能力和机器人在危险环境中的操作能力相结合，遥操作可以在使人远离现场的同时完成复杂而特殊的任务[6，7］.手部控制器作为建立操作者与机器人之间紧密动态耦合的重要接口，可以向操作对象发送位置、姿态等信息。它还可以接受来自控制系统的环境信息，例如力/扭矩，为操作人员提供力的远程呈现，并对机器人实施有效的干预和控制[8］.在遥操作系统中，手动控制器的性能直接影响到双边控制系统的运行性能和可靠性[9，10］.

手动控制器按结构形式分为串联式、并联式和复合式[11］.串行机构存在明显的缺陷。首先，串联机构的工作空间中存在多个奇异点，这些奇异点会导致机构的传动性能急剧下降;其次，由于采用悬臂结构，为了获得结构刚度，串联机构使系统结构繁琐，增加了机构质量和转动惯量。第三个缺点是刚度低，不利于有效的力反馈。并联机构的特点是平移和旋转可以解耦，有助于提高运动精度，机构的刚度使其承载能力强。但由于并联机构结构复杂，不仅给系统设计带来了困难，而且导致运动副摩擦增加。同时，在设计中往往难以消除的摩擦在设计后很难通过驱动元件进行补偿。而且并联机构的运动空间小。复合机构是串联机构和并联机构的互补。 But due to the difficult design and implementation, compound mechanism has not been widely used.

首先，手动控制器通常是为特定的应用而设计的[12，这需要研究人员花很多时间来设计设备，所以现代的手动控制器更注重泛化。由于任务的不确定性，一般手控制器的机构与从机的机构有很大的不同，这也使得机械手的控制更加复杂。由于操作者、力反馈主手和环境的动力学难以准确建模，因此目前对力传感接口设备控制问题的研究主要集中在保证系统的稳定性上。开发简单可靠、稳定性高、透明度高的控制器仍然是主控的关键。

提出了一种新型的力反馈手控制器。六自由度手动控制器可分为三自由度正交并联平动平台和三自由度串联旋转平台。前者具有较大的工作空间和较高的刚度，而后者则充分考虑了操作时的舒适性、控制算法的复杂性等。对这两个平台分别进行了运动学、静力学和动力学分析。在此基础上，利用伺服电机和力/力矩传感器产生检测/驱动模块。提出了一种基于力传感器的大力闭环控制方法和基于速度调节的转矩实时控制方法。最后，通过实验验证了该控制方法的有效性，实验结果表明，获得理想力临场感的六自由度力反馈手控制器具有良好的力学性能。

2.手部控制器的总体方案设计

为满足运动的基本要求，手控系统应具有6个自由度[13]同时，为了降低机构设计和控制的难度，本文采用了平移自由度和旋转自由度解耦的方法，即为3个平移自由度和3个旋转自由度设计一个单独的结构，并由同一个PC控制程序在不同线程中进行控制（分别以数字显示）1和2)．

平移平台是由基座和三条支链组成的三自由度正交机构。驱动组件为三个分别安装在正交底座上的直线电机，检测单元为三个与直线电机平台相匹配的光栅尺。三个电机是成对正交的，每个分支链由一个滑动副、三个转动副和两个杆件组成。滑动副的轴与转动副的轴平行。该机构具有结构简单、支链解耦、工作空间无奇异性、运动分析简单、易于控制等优点。

旋转平台是由基座和三条支链组成的三自由度串联机构。手柄安装在一个边缘的中心，该边缘是分支链末端的一部分。驱动元件为三个单独与转动副同轴方向的电机，检测单元为与支链旋转方向同轴安装的编码器。转动副的三个串联轴垂直相交于一点。结构简单，可通过大角度控制旋转角度。各支链直接安装编码器，可消除使用行星齿轮减速器后产生的间隙，也可准确测量旋转角度。

为了使手部控制器的工作范围尽可能覆盖手部，平动平台的工作空间设计为±280mm ~±320mm。理论上旋转平台可以实现任意三个自由度的±180°旋转。光栅尺和编码器实时检测手的位置和姿态变化。测量精度一般高于控制精度。而对于手控系统，由于检测的结果是手的位置和姿态的变化，测量精度与手的运动精度充分适应是令人满意的;也就是说，毫米是可以的。因此，三自由度平移的检测精度为毫米级，三自由度旋转的检测精度为±0.1°。力反馈范围是一个非常重要的参数，它直接影响操作人员的感觉和对从机环境的判断。手控系统采用力闭环控制方法，使机构能平稳地跟随手的运动，操作者在无力反馈阶段不会感受到明显的力感。最后，力和力矩反馈被限制在手有明显感觉的范围内，长时间操作不会产生疲劳。

3.手控器的运动学和静力学分析

３．１．转化平台

平动平台驱动元件:直线电机安装在底座上，与之配套三轴重合，因此采用滑动副作为机构驱动。接下来，本文将对滑动副进行运动学分析。

首先，计算了平动平台的运动学正解和逆解。由于三支链的情况完全相同，本文将对支链进行分析轴。正运动学解可以描述为:已知直线电机位移为，求点的坐标，即手部控制器的末端。作为是旋转对，它们彼此平行，飞机上的相似之处飞机。因此，很明显可以表示为矢量形式:

在上式中，．机构的位置逆解与正解相似，因此不需要对其进行分析。

对于平动平台的速度分析，了解其雅可比矩阵与末端速度和驱动速度之间的关系是非常重要的。通过微分方程，推导出运动平台与直线电机块之间的速度关系:

在这个方程中，雅可比矩阵是一个单位矩阵。当应用速度时在手柄上，它被分为在三个方向。然后当把速度传递给直线电机时，所需的速度是．

最后是静力学分析。通过静力学分析，对机构受力和抗载能力进行了概述。利用虚功原理可以引出驱动力之间的关系滑动副和广义力矢量结束的的句柄。设各直线电机块上的虚位移矢量轴是，对应平台的虚位移矢量为，滑动副和运动平台末端的虚功将是

根据虚功原理，由驱动部件输出力引起的滑动副虚位移所产生的虚功等于底部运动平台虚位移所产生的虚功;也就是说,

通过运动学分析，直线电机滑块的位移与底部运动平台之间存在一一对应关系:

故平动平台的静力学方程为:

左边的6)是运动平台的输出力向量，右侧是线性驱动力向量。三个方向上的输出力和输入力相互对应，因为雅可比矩阵是单位向量。

３.２．旋转平台分析

旋转平台属于三自由度串联机构，只提供从机器人的姿态信息，同时由于解耦设计，平移平台对从机器人的末端姿态没有影响，只需要旋转机构在静态平台上的姿态信息，正的e解决方案由D-H方法。建立串联机构的基本坐标系和关节坐标系，如图所示3.，为方便起见，假设三个旋转轴在初始位置正交。

数据表，如表所示1，根据D-H方法建立。

使用表中所示的参数1可以得到坐标变换矩阵:

因此,

只需分析旋转平台的运动学逆解即可满足实际要求，如(7)显示

此外,

因此, 让等式两边相等:

然后,

众所周知．用通用公式求解方程，使方程成立:

把它带回(12)得到一个未知的二次方程：

到目前为止，有四组解；然后和应该算出来。

在对旋转平台进行静力学分析时，假设电机在三个旋转方向上的输出力矩为微角位移为而底部手柄的输出力矩为微角位移为，利用虚功原理可得到以下关系式:

根据运动学，有

旋转平台的静力学方程为

4.控制系统的设计

4．1.主从双边控制

遥操作是机器人操作中一种重要的人机交互方式，而透明性是理想的遥操作系统应该具备的特性，它能使操作者感受到环境的真实影响[14］.目前用于遥操作的控制结构有定位-定位型、力-定位型和力反馈-定位型三种[15］.其中，力反馈-位置式力临场感效果较好;因此本文设计的手控制器的硬件结构如下:没有考虑到奴隶,力传感器安装在处理结束后可以检测运营商的实际受力情况,然后调整的压力来达到最好的效果通过控制系统实时力反馈。

4．2．力闭环控制策略

基于力控制的基本控制方法根据位置、速度和力控制变量之间的关系可分为阻抗控制、混合控制和显式力控制[16- - - - - -18］.在上述范畴中，本文提出的适合手控系统的控制策略是阻抗控制、导纳控制和基于位置的显式力控制。将机器人系统与力反馈手控系统进行对比，可以看出机器人系统末端的期望应力与手控系统双边控制的力反馈相同。然而，机器人系统的力控制与手动控制系统有着根本的不同。在机器人系统中，检测端部的力信号需要通过导纳模型转换为速度调节或通过力控制器进行位置调节，控制系统必须有一个积分速度环或位置环，即所要求的速度或所需的位置，在此基础上可调整调整金额。手动控制系统由操作人员控制机构的运动速度和停止位置，因此不能按所需的速度或位置进行调整。

针对上述问题，提出了一种基于力传感器的力闭环控制方法，并计划将遥操作和双边控制集成到一种控制算法中。其核心思想是根据力传感器检测到的手的实际应力，实时调整驱动部件的输出，得到系统的期望输出。控制结构图如图所示4．

为从机器人或虚拟环境中的物体与环境接触时测量或计算的交互力/力矩;为力传感器检测到的手的实际应力。在遥操作阶段，系统的目标输出为0 N (Nm)。若手部控制器能精确地跟随手部运动，力传感器检测到的值应尽量为0;在双边阶段，有一个特定的值，即操作员可以实际感受到的力/扭矩。利用该值作为系统的期望输出，控制器可以实时调整驱动部件的输出，使力传感器检测到的力/扭矩保持在．

获得差异在期望值之间和实际值、速度变化可以在采用PID算法计算，控制规律如下：

采用PID控制器的原因是不需要对平动平台和旋转平台建立相应的模型。在使用阻抗控制时，需要确定惯量系数、阻尼系数和刚度系数，这些系数不容易准确获得，会增加设计的难度和系统的复杂性。而PID控制由于其计算简单，且各硬件设备都保证了良好的响应速度，采用一定的方法来调整和选择的三个参数，就可以达到良好的控制效果,．

PID控制器计算出转速变化后，该速度值应根据所需的命令格式发送至Pmac运动控制卡，Pmac运动控制卡可解析该命令并向驱动部件发送模拟信号；驱动部件接收到模拟信号后，根据事先整理好的电压与速度的关系，驱动电机实现速度控制.图中虚线内的部分4表明驱动器和驱动组件(直线电机和旋转电机)将被视为一个整体。在收到所需的转速值后，驱动器将在自动调整的参数基础上完成对电机的速度控制。

5.手控系统的实现

5．1.硬件系统组成

手控系统的硬件由控制器、检测组件和驱动组件组成。所述控制器包括IPC和Pmac运动控制卡;检测组件包括ATI六维力/扭矩传感器，光栅尺，旋转编码器;驱动元件包括Parker直线电机和Maxon旋转电机。三自由度平动平台和三自由度旋转平台如图所示5．

整个系统的硬件组成及关系如图所示6．

5.2。计算机控制软件

本文选择Windows XP作为开发平台，是因为包括力传感器、数据采集卡、Elmo驱动、Pmac运动控制卡在内的所有硬件设备都对该操作系统具有良好的驱动支持和开发支持，减少了不必要的兼容性问题。同时选用Visual Studio 2010和c++进行控制软件的开发。控制程序的工作流程如下。

硬件初始化：启动前，手控系统应初始化硬件，如Pmac运动控制卡和力传感器。初始化成功后，手控系统等待遥操作阶段。

遥操作阶段:操作者控制手柄，将采集到的力/力矩值发送到控制程序，由控制程序调用矩阵计算功能，完成力/力矩值的计算;通过平移和旋转控制算法计算驱动手部控制器系统跟随手部运动的电机输出;同时，通信线程将采集和计算的位置和姿态变化发送给从机。

双向控制阶段:当从机反馈给主机的力/力矩反馈信息出现时，平动控制线程和旋转控制线程会调用相关的控制算法来调整电机的输出，使操作人员感受到力反馈的效果。

控制软件流程图如图所示7．控制程序运行后，后台会有三个线程同时进行计算，分别是平移平台控制线程、旋转平台控制线程和通信线程。前两个主要负责完成遥操作阶段和双边阶段的算法，实时计算电机的输出，并通过与Pmac卡通信对电机进行控制;最后从Pmac卡中读取光栅尺和旋转编码器的数据并交给主计算机，计算手控制器的位置和姿态变化，控制主从机之间的数据传输。

5.3。实验和结果

机械手控制器的精度对机器人遥操作系统非常重要;因此，通过科学实验设计高精度的手控仪并标定主手的精度具有积极的意义。精度标定可以有效地提高机构的几何精度，对主从操作的精度有深刻的影响。本文采用激光跟踪检测手控器的位置精度，实验数据如表所示2．

在平动平台上对力闭环控制算法进行了测试。首先对遥操作阶段的性能进行了测试。由于舞台上外圈所需的力值为0n，所以当操作者控制手控器移动时，力传感器测量的力值也应保持在0n附近。实验结果如图所示8．

在图8，粗曲线代表力传感器测得的真实力信息，细曲线代表期望值。当操作者控制手部控制器时，控制算法将根据期望值与被测值的偏差计算出的电机速度来驱动机构符合手部的运动，从而保证力传感器检测到的值保持在0 N左右。从图中可以看出8，忽略操作时手的抖动，手的感觉力保持在0 N左右，而波动误差在0.01 N范围内。操作人员可以轻松、流畅地控制手动控制器。

操作者可能会经常改变操作方向，控制算法能否很好地驱动机构跟随手的运动，会影响手感。实验中，测试了低速和高速下的换相能力，结果如图所示9和10．细曲线表示算法计算出的模拟信号发送给电机;粗曲线表示力传感器检测到的力信息。

通过信号量的转换，低速运动速度约为0.75 m/s，高速运动速度约为2.4 m/s。从图中可以看出9和10，当手的操作方向改变时，算法可以快速调整电机的输出，从而跟随手的运动。由于整个系统的换相延迟约为5ms，操作人员在实际操作中不会感到明显的延迟。

在双向控制阶段，采用大闭环力控制方法对实际力算子进行精确控制，力传感器测得的力值应接近期望的反馈。在双边阶段，本文增加了3 N的反馈力分别在静态和运动状态下测量数据，如图所示11和12．

从图中可以看出11，而加入3 N反馈力并保持手柄处于静止状态，检测到的实际力在3左右波动 N，误差约为±0.1 N因为手的抖动；在反馈力仍然为3的情况下 N、 首先逆反馈力方向进行运动实验，然后沿反馈力方向进行运动实验，结果如图所示12．由于人力和电机驱动力的叠加，运动平台会产生加速度。如果运动方向与反馈力方向相反，力传感器测得的值大于3n。反之，如果方向相同，则该值小于3 N。但总体上，实际应力仍在3n附近波动。

在双边控制阶段，当从机向主机发送反馈力时，操作人员会立即感受到明显的力反馈，仍然能够平稳顺利地完成预定的操作。

经过以上测试表明，在实现遥操作和双边控制阶段控制目标的基础上，两种控制方法完美地融合为一种控制算法。根据力传感器测得的值，遥操作和双向控制可以快速进行控制，响应时间仅为5 ms左右。而且，两级之间的切换不会有明显的时间延迟。因此，所提出的基于力传感器的力闭环控制算法能够很好地满足所提出的手控系统的控制要求。

利益冲突

作者声明本文的发表不存在利益冲突。

致谢

作者要感谢机器人研究小组的同事对本文进行了有益的讨论和评论。基金资助:国家重点基础研究发展计划(973计划)资助项目(no. 2012RC0504);基金资助:国家自然科学基金资助项目(2013CB733005);61175080)。

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