盛國棟, 曹其新

(上海交通大學 機械與動力工程學院,上海 200240)

主從遙控機器人可以在非結構性環(huán)境下(空間、深海、醫(yī)療等) 進行復雜的操縱作業(yè)(如航天器的裝配、維修).操作者的操縱質量與對“從環(huán)境”信息(包括: 力覺、視覺等) 的真實獲得能力密切相關, 借助于力覺臨場感功能, 可以使操作者真實地感覺到機器人與被操作物體的動態(tài)相互作用, 這有助于操作者完成復雜精密的作業(yè)[1].此外,在醫(yī)療等方面,為防止射線對醫(yī)生的危害,常搭建信號傳輸距離很短的主從機器人系統(tǒng),如da Vinci robot[2],這類機器人系統(tǒng)具有精度高、延時小的特點.

雙邊控制是指主手和從手間的運動和力信息的交互反饋控制,文獻[3]在處理遙操作焊接機器人時采用絕對坐標的位置映射,其位置控制策略采用速度邊界條件和工作空間邊界條件,較為繁瑣.文獻[4]采用雙向位置反饋來實現(xiàn)力覺臨場感, 但由于主從手間無法消除的位置誤差, 使系統(tǒng)在自由空間運動也顯得十分“遲滯”,力覺臨場感較差, 直接影響系統(tǒng)的操作性能.基于傳感器技術的提高,采用高性能的傳感器實現(xiàn)主從手間的雙向力覺反饋,文獻[5]為解決從手運動速度較快時易與環(huán)境發(fā)生碰撞造成損壞的問題,引入了一系列復雜的力函數(shù),控制復雜且位置控制精度會受其影響.文獻[6]提出的雙邊控制算法引用絕對穩(wěn)定思想,以時延相關穩(wěn)定性代替時延無關穩(wěn)定性,犧牲一部分不必要的穩(wěn)定性, 證明了對某一給定的參數(shù)均能保證時延小于某一值時系統(tǒng)都穩(wěn)定, 同時使力反饋時延遙操作系統(tǒng)的性能得到很大的改善.文獻[7]針對遙操作機器人系統(tǒng)通信時延引起系統(tǒng)不穩(wěn)定以及性能下降等問題研究了一種采用阻抗匹配方法分析系統(tǒng)在有時延和無時延情況下透明性的新方法在保證穩(wěn)定的基礎上實現(xiàn)了良好的透明性.

針對以上問題,文中搭建了一套適用于醫(yī)療和裝備維修的小延時主從式機器人系統(tǒng),并對其位置控制策略及力反饋策略做了相應研究.

1 主從式機器人系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)總體描述

該系統(tǒng)包括主手、從手、主控計算機、顯示設備、從手前端工具、網(wǎng)絡攝像頭、工具末端攝像頭及網(wǎng)絡傳輸部分.該系統(tǒng)采用主從操作方式(圖1)，其中主操作手為Force Dimension公司的Omega.7,該裝置具有較好的力反饋功能;從操作手為丹麥的Universal Robot(UR),具有高靈活度、輕便等特點;末端工具安裝有六維力傳感器,可檢測環(huán)境中的力信息并反饋至主手,從而使操作者獲得較好的力覺臨場感;整個過程中,網(wǎng)絡攝像頭獲得從手四周的三維環(huán)境,工具末端攝像頭為操作從手提供更精確的局部圖像,二者的視頻圖像傳輸回主控計算機,操作者可以通過顯示設備實時觀察從手的工作情況和三維環(huán)境中的障礙物情況并根據(jù)障礙物分布遙操作從手,實現(xiàn)有效的避障,工具末端攝像頭隨末端工具一同移動,可反饋給操作著更加清晰地局部圖像,提高從手的工作精度.

圖1 主從式機器人系統(tǒng)Fig.1 Master-slave robot system

1.2 系統(tǒng)控制結構

系統(tǒng)采用雙邊控制,主手將位置信息發(fā)送至從手控制器,從手控制器處理后將數(shù)據(jù)發(fā)送至從手,從手實際位置信息又反饋回主手構成位置反饋,從手與環(huán)境之間的力信息直接通過力傳感器采集并發(fā)送至主手,此外, 為解決從手運動速度較快時易與環(huán)境發(fā)生碰撞造成損壞的問題,將主從位置誤差用于位置反饋的同時也用于系統(tǒng)的力反饋控制策略中,其控制系統(tǒng)結構如圖2.圖中:Xm為主手的位移增量,矢量;Xs為從手實際的位移增量,矢量;Xer為主手與從手的位置誤差,矢量;Ke為主從位置誤差參與力反饋的增益常量;Fc為主從位置誤差轉換所得的力反饋分量,矢量;Fh為手施加給主手的力,矢量;Fe為從手與環(huán)境之間的力,矢量;Fs為從手控制力,矢量;Fb為反饋至主手的力,矢量;K為比例控制增益系數(shù),6×6矩陣;IK為運動學逆解;FK這為運動學正解.

圖2 系統(tǒng)控制結構Fig.2 Control structure of the system

2 位置控制

2.1 增量式工作空間映射

當系統(tǒng)采用絕對坐標控制位置時,主手工作空間原點與從手工作空間原點是固定的,當系統(tǒng)開始工作時,主手和從手都要先完成回原點的初始化工作,這對一些要求機器人姿態(tài)特殊的場景是及其不便的.

本系統(tǒng)采用增量式位置控制方式(圖3),系統(tǒng)開始工作時,主手任意初始位置為原點,從手工具末端初始位置為其對應的坐標原點,有效地避免了初始回原點的繁瑣操作.

然后主手以一定頻率讀取其增量值Xm,如式(1),乘以一個系數(shù)K,得到從手位置增量KXm,再由式(2)得到從手目標位姿,通過逆解運算得到機械臂各關節(jié)的角度,再由TCP/IP發(fā)送至從手,從手接收到指令完成相應運動,并通過將數(shù)據(jù)反饋回主控計算機保證其位置控制精度.

Xm=Mf-Mi

(1)

Xf=Xi+KXm

(2)

此外,在使用該位置控制策略時,當操作者直接觀察被操作環(huán)境信息時與操作者通過圖像設備觀察被操作環(huán)境信息時,主從間位置對應不同,可通過調整矩陣K進行主手與實際環(huán)境或主手與圖像設備的坐標匹配,進而獲得較好的視覺臨場感[8].

圖3 主從工作空間映射Fig.3 Master-slave workspace mapping

2.2 變比例控制

主手與從手的工作空間一般是不同的.提高主手的工作空間與從手的工作空間比可提高機器人控制的精度；相反,減小主手與從手工作空間的比值則降低機器人運動的精度[3].為滿足不同情況下,從端機械臂快速與慢速移動靈活切換的要求,本系統(tǒng)依據(jù)主端位移增量的范圍采用變比例控制的方式.具體如表1,其中位移增量Xm的采樣周期為100 ms.

表1 從端增量計算方法Table 1 Incremental calculation method of slave robot

如表1所示,當主手端位移增量的絕對值小于0.001m時,則認為是由于操作者抖動引起的誤差,此時增益系數(shù)K為0,從端不動;當主端位移增量的絕對值在0.001～0.005 m時,實現(xiàn)主從縮小比例(2∶1)的控制,可實現(xiàn)從端小范圍高精度的操作;當主端位移增量的絕對值在0.005～0.01 m時,實現(xiàn)同比例(1∶1)的控制,在由從端快速運動轉到慢速運動過程中起緩沖作用,避免了由于加速度過大帶來的機械臂震蕩;當主端位移增量的絕對值在0.01～0.015 m時,實現(xiàn)主從放大比例(1∶2)的控制,適用于從手工具末端距離目標點較遠時的快速靠近.

3 力反饋控制

從手工具端使用力傳感器可以很好的獲得末端工具與外界環(huán)境之間的作用力,將獲得的力反饋至主手可使操作者獲得較好的力覺臨場感;但是進一步為了解決從手自由運動且速度較快時突然與外界環(huán)境發(fā)生碰撞造成損壞的問題,將主從位置誤差引入系統(tǒng)力反饋控制策略,由圖2可得:

Fc=-Ke(Xm-Xs)

(3)

Fb=Fc+Fs

(4)

反饋至主手的力Fb包含了主從位置誤差,當主從位置誤差較大時,反饋至主手的反向力也增大;當主從位置誤差較小時,反饋至主手的反向力也減小.使用這種方法,系統(tǒng)的透明性會有所降低,即當從端自由運動時,仍然有力信息反饋至主手,帶來一定的粘滯感,但該方法能夠有效地提高系統(tǒng)的安全性,避免了因從端速度過快操作者反應不及時造成碰撞.此外,一旦因操作失誤系統(tǒng)與外界環(huán)境發(fā)生碰撞,即當傳感器測得力發(fā)生較大幅度的突變時(此處設定閾值為10 N),則切斷主從映射并鎖死主手,從手沿碰撞力的方向運動至無碰撞的區(qū)域,當測得力小于0.5 N時,系統(tǒng)自動重新建立主從映射,同時釋放主手,操作者可繼續(xù)控制從手.

由于文中所搭建的機器人系統(tǒng)傳輸距離很短(10 m左右),時延很小,所以使用文獻[6]中所提到的絕對穩(wěn)定思想,以時延相關穩(wěn)定性代替時延無關穩(wěn)定性.由于本系統(tǒng)時延可以忽略不計,所以在參數(shù)Ke任意給定時,都能夠滿足穩(wěn)定的條件.

另外,為了使操作者感覺不到力信息的抖動,獲得最佳的力覺臨場感效果,力反饋信息的更新頻率至少為1 000 Hz[9],因此文中采用1 000 Hz的頻率刷新力反饋信息.

4 實驗與仿真結果

4.1 位置控制策略驗證

為了驗證該方法的有效性,通過圖1所示的主從機器人系統(tǒng),采取主從1∶1的比例,在有位置反饋和無位置反饋時分別進行試驗驗證.圖4為機器人沿單一方向運動時誤差的累積情況,從結果可以看出,該方法成功地消除了線性誤差的累積,保證機器人在大范圍內(nèi)的精確度;進一步在有反饋情況下驗證了機器人各方向運動時主從位置跟蹤的準確性.圖5表示機器人在Y方向上主從位置跟蹤的情況,結果顯示系統(tǒng)的位置控制具有較高的準確性,此外,實驗結果顯示系統(tǒng)時延很小(小于0.03 s)(圖6).

圖4 機器人位置控制誤差結果Fig.4 Results of position control error

圖5 主從位置曲線Fig.5 Position of the master and slave

圖6 位置控制時延Fig.6 Time delay of position control

4.2 力反饋策略仿真驗證

為了驗證力反饋策略的有效性,文中用MATLAB/Simulink進行了仿真(圖7),其中虛擬環(huán)境力Fe由信號發(fā)生器產(chǎn)生的square波表示,omegaposition.mat為主手增量的采樣數(shù)據(jù),realposition.mat為從手增量的采樣數(shù)據(jù),計算其誤差乘以增益Ke并與環(huán)境力一起反饋至主手.根據(jù)位置控制驗證,力反饋仿真圖中,延時環(huán)節(jié)設為0.03 s,環(huán)境力Fe與反饋力Fb的仿真結果如圖8,結果表明:該方法能夠有效的實現(xiàn)力反饋,并且由計算主從位置誤差引入的系統(tǒng)時延很小,能夠滿足力反饋的實時性要求.

圖7 仿真示意圖Fig.7 Simulation diagram

圖8 仿真結果Fig.8 Simulation results

4.3 力反饋策略實驗驗證

使用圖1中系統(tǒng)進行主從操作實驗,通過操作力覺交互設備在木板上打孔實驗,測得的力與位置數(shù)據(jù)(圖9).

從圖中數(shù)據(jù)可以看出,系統(tǒng)在自由運動、接觸運動和鉆孔運動過程中都能夠有效地實現(xiàn)力反饋,且在圖中A點位置,可以看出當主從位置誤差增大時,系統(tǒng)反饋至主手的力也在傳感器所測力的基礎上進一步增大,較大的反饋力對主手的運動起到限制作用,防止了主從誤差的進一步增大,提高了系統(tǒng)的準確性.此外,在自由運動時,從端沒有任何受力,但由于主從位置誤差的存在,主手能夠感受到反饋力的存在,雖然這會在一定程度上降低系統(tǒng)的透明性,但由于反饋力很小,所以不影響操作者正常操作,因此，本系統(tǒng)能夠在各種情況下都能夠實現(xiàn)很好的力反饋.

5 結論

搭建了一套主從式機器人系統(tǒng),并對其雙邊控制策略進行了研究.采用增量式位置控制策略,易于建立主端與從端的工作空間映射,并使用位置反饋提高了系統(tǒng)的控制精度;解決了主從運動比例變化的問題;將主從位置誤差引入系統(tǒng)的力反饋控制策略,分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性,并通過實驗手段及使用MATLAB/Simulink仿真的手段分別驗證了主從機器人系統(tǒng)對位置控制策及力反饋策略的準確性和有效性.

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