張建軍，李沙沙，米兆文，邵世龍，常 賀，陳龍正，高毓媛

(河南理工大學(xué) 電氣工程與自動化學(xué)院，河南 焦作 454000)

0 引言

基于力覺反饋的主從機械手遙操作雙邊控制系統(tǒng)擺脫了距離限制[1]，避免了操作者直接處于危險區(qū)域，融合了人的高級智能和機器人的可擴展性，實現(xiàn)了人機智能交互功能[2-3]。從機械手位于工作區(qū)域直接與操作對象交互[4]，跟蹤主機械手的運動信號并將與環(huán)境交互力信號傳送至本地主機械手，使操作者在操作本地主機械手的同時能夠感知從機械手傳送至本地的力信息[5]。主機械手實現(xiàn)力覺再現(xiàn)以及給從手傳輸位置指令，力反饋裝置作為主手是遙操作系統(tǒng)的核心[6]。

力反饋裝置分為氣動[7-8]、液動[9]以及電驅(qū)動[10]等模式，其基本原理是操作者作用于力反饋裝置，當(dāng)操作者施加力大于標準力信號時，力反饋裝置產(chǎn)生觸覺力同方向上的形變以減少觸覺力，反之則產(chǎn)生觸覺力反方向上的形變增大觸覺力。力反饋裝置依然存在很多的問題，主要表現(xiàn)在：1)基于氣體或者液體驅(qū)動的力反饋裝置，要考慮其滯后以及氣體或者液體泄漏造成的控制精度降低問題[11]；2)力反饋數(shù)據(jù)手套操作時間過長會引起手指或者手腕疲勞，使操作人員操作過程中的沉浸感減弱，降低操作效率[12];3)操作者佩戴力反饋數(shù)據(jù)手套作自由彎曲或者伸展動作時候[13]，力反饋數(shù)據(jù)手套對操作者手指的約束在從機械手沒有和操作對象交互的自由空間會破壞操作者的臨場感[14]。

本文面向遙操作系統(tǒng)設(shè)計了單自由度力反饋裝置，通過STM32單片機實現(xiàn)信號采集與力控制，根據(jù)該力反饋裝置搭建了實驗系統(tǒng)，實現(xiàn)了標準力信號跟蹤實驗驗證。搭建了與力反饋裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)完全一致的從機械手系統(tǒng)，通過單自由度遙操作實驗實現(xiàn)了主、從機械手力、位移協(xié)同一致同步功能。遙操作系統(tǒng)能夠感知遠端從機械手是否抓住目標、抓住目標的力覺、抓取目標的剛度等信息的感知，提高了操作者的真實臨場感功能。

1 力反饋裝置

面向機械手抓取要求操作簡單、便攜且易于實現(xiàn)，不需要復(fù)雜的結(jié)構(gòu)以及多手指抓取，設(shè)計了單自由度的力反饋裝置。模擬人類手指，只設(shè)計兩個手指：拇指與食指。其中拇指固定，食指在步進電機驅(qū)動撥桿上施加操作力，單自由度力反饋裝置如圖1所示。

圖1 單自由度力反饋裝置示意圖

如圖1所示，食指施力端為撥桿的末端處，上面貼有壓電薄膜式力傳感器。撥桿與步進電機的旋轉(zhuǎn)軸同軸連接。步進電機自帶減速裝置，不需加減速齒輪。步進電機在允許輸出功率條件下保持恒定角位移輸出，同頻率下一個占空比對應(yīng)步進電機的一個角位移。人手指的夾持力一般在30 N之內(nèi)，設(shè)計撥桿半徑10 cm，步進電機輸出轉(zhuǎn)矩在3 N·m以上即滿足力控制要求。步進電機固定在圓形外殼內(nèi)，保證輸出軸旋轉(zhuǎn)，角度傳感器也固定在圓形外殼內(nèi)，實現(xiàn)與步進電機同軸連接。根據(jù)手指運動夾取特征，撥桿繞軸旋轉(zhuǎn)范圍為90°。該力反饋裝置底部有安裝孔可以與機械臂配接實現(xiàn)多關(guān)節(jié)系統(tǒng)的力反饋裝置。

在操作過程中，操作者握住力反饋裝置，其中拇指握住手柄，食指作用在撥桿末端觸覺力傳感器上，另外3個手指握住手柄處。用食指撥動撥桿產(chǎn)生轉(zhuǎn)動，壓電薄膜傳感器測量食指施加的觸覺力，與標準的力信號通過PID計算得步進電機的角度控制量，實現(xiàn)食指施加力與標準力信號的匹配，實現(xiàn)食指上的力覺感知。

2 力反饋裝置數(shù)學(xué)模型及PID控制律

力反饋裝置可以看作一個單關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)機器人，結(jié)合機器人動力學(xué)原理，力反饋裝置的數(shù)學(xué)模型如式(1)所示：

(1)

力反饋裝置實現(xiàn)標準力信號的匹配采用PID控制方法，PID控制為輸出反饋，不需計算力反饋裝置數(shù)學(xué)模型。其基于力誤差設(shè)計PID控制律調(diào)整電機的旋轉(zhuǎn)角度，通過位置控制實現(xiàn)接觸力對標準力信號跟蹤。設(shè)：

ef=fd-fm

(2)

(3)

力反饋實現(xiàn)力跟蹤控制律如式(3)所示，kmp、kmi、kmd為PID系數(shù)。fd、fm分別為標準力信號、操作者施加力測量信號，ef為力誤差信號。將τm換算成PWM脈沖控制步進電機旋轉(zhuǎn)角度，由于機械手抓取的角度在一定范圍內(nèi)，對控制量加限幅處理。力反饋裝置實現(xiàn)標準力信號再現(xiàn)控制流程如圖2所示。

圖2 力反饋裝置力控制流程圖

3 力反饋裝置力覺再現(xiàn)實驗

為了實現(xiàn)力覺再現(xiàn)的實驗驗證搭建了單自由度力反饋裝置實驗平臺，其中力覺再現(xiàn)裝置器件連接關(guān)系如圖3所示。通過步進電機帶動撥桿旋轉(zhuǎn)，撥桿與角度傳感器同軸相連測量角度，撥桿末端裝有壓電薄膜傳感器實現(xiàn)觸覺力測量，通過微控制器實現(xiàn)對角度信號、觸覺力信號測量，利用鋰電池輸出7.4 V電壓實現(xiàn)對步進電機供電。力覺再現(xiàn)裝置實驗實物連接方式如圖3所示。

圖3 力覺再現(xiàn)裝置實驗實物連接圖

圖3中，步進電機選擇270°大扭矩數(shù)字電機，當(dāng)發(fā)生堵轉(zhuǎn)時，步進電機內(nèi)部會過流保護。并且具有輸出扭打大，控制精度高的特點。步進電機通過微控制器發(fā)生的PWM脈沖實現(xiàn)角度控制。角度傳感器利用精密導(dǎo)電塑料電位器，相當(dāng)于一個滑動變阻器實現(xiàn)360°角度測量，滿足高精度角位移輸出。STM32控制板控制器選用STM32F103，STM32F103帶定時器、PWM、A/D轉(zhuǎn)換、串口通信，由3.3 V供電，并且可用豐富的庫函數(shù)實現(xiàn)編程，滿足整體信號測量與控制功能。觸覺力傳感器選用壓電薄膜傳感器，與觸覺力呈現(xiàn)負相關(guān)關(guān)系，利用串聯(lián)分壓實現(xiàn)力信號采集。

STM32F103通過A/D轉(zhuǎn)換讀取觸覺力信號，與標準的力信號作PID控制計算得到輸出調(diào)節(jié)量，通過PWM 脈沖控制步進電機，使步進電機得到角度調(diào)整進而實現(xiàn)力信號調(diào)整。STM32F103實現(xiàn)力控制的基本流程如圖4所示。首先完成各個I/O口初始化，然后實現(xiàn)PWM脈沖、定時器、A/D轉(zhuǎn)換初始化設(shè)定PWM脈沖工作方式，定時器工作方式以及A/D轉(zhuǎn)換的模式，然后打開定時器進入死循環(huán)。定時時間到，采集觸覺力信號與位置信號，然后根據(jù)標準的觸覺力信號經(jīng)過PID計算得到控制器調(diào)節(jié)量，通過PWM 換算后加載到步進電機控制器上實現(xiàn)一次循環(huán)控制，然后等待下一次定時時間中斷。根據(jù)圖3實驗裝置記錄操作過程中力、位移數(shù)據(jù)，力跟蹤曲線及位置曲線如圖5所示。

圖4 微控制器程序執(zhí)行流程圖

圖5 力反饋裝置力信號跟蹤曲線及位置曲線

由于所選力傳感器換算成力信號存在誤差，這里只用電壓值表示力信號。對于標準力信號1 000 mV的跟蹤，當(dāng)操作者觸覺力大于標準的力信號時，控制器控制步進電機使其朝操作者力方向轉(zhuǎn)動，從而使操作者施加力信號泄掉，如果操作者的施加力一直大于標準的力信號，則步進電機轉(zhuǎn)動到最小位置，控制器實現(xiàn)了限幅作用，如圖5中23 s時刻。當(dāng)操作者觸覺力小于標準的力信號時，控制器控制步進電機使其朝著操作者力反方向轉(zhuǎn)動，從而使操作者施加力信號增大。如果操作者的施加力一直小于標準的力信號，則步進電機轉(zhuǎn)動到最大位置停轉(zhuǎn)，控制器實現(xiàn)了限幅作用，如圖5中50 s時刻。力、位移控制過程中，當(dāng)手指觸覺力小于標準力信號時候，控制器將調(diào)節(jié)機械手轉(zhuǎn)動擠壓手指以增加操作力，如果手指不與機械手接觸，則沒有限幅控制器下機械手會轉(zhuǎn)動以實現(xiàn)力的平衡。反之若手指觸覺力大于標準力信號，則控制器調(diào)節(jié)機械手轉(zhuǎn)動朝著遠離的方向減少觸覺力。若手指一直壓著機械手，則控制器調(diào)節(jié)機械手實現(xiàn)轉(zhuǎn)動。通過PID控制器通過位置控制實現(xiàn)操作者觸覺力與標準力匹配的目的。

4 面向力反饋裝置的遙操作實驗

為了保證所設(shè)計的單自由度力反饋裝置的可靠性，為遙操作系統(tǒng)實現(xiàn)主從手力、位移協(xié)同一致性能提供理論依據(jù)，面向力反饋裝置進行了單自由度仿真實驗驗證。將力反饋裝置作為主手的遙操作系統(tǒng)中，從手結(jié)構(gòu)和主手相同，也是單自由度基于微控制器控制步進電機實現(xiàn)。不同的是力反饋裝置通過力誤差實現(xiàn)PID 計算做位置控制，從機械手基于位置誤差做PID 計算實現(xiàn)位置控制。另外力反饋裝置作為主手與從手的區(qū)別在于觸覺力傳感器安裝位置不同，主手上壓電薄膜傳感器要測量操作者觸覺力要安裝在機械手末端的上表面，而從手要測量與操作對象交互力要安裝在機械手末端的下表面。

遙操作系統(tǒng)中主手數(shù)學(xué)模型與控制方式如式(1)～(3) 所示，從機械手數(shù)學(xué)模型如式(4) 所示：

(4)

eq=qm-qs

(5)

(6)

整個系統(tǒng)的控制律如式(6)所示，ksp、ksi、ksd為PID系數(shù)。eq為位置誤差信號，qm位置跟蹤信號，即主手位置信號。將qm作為位置信號經(jīng)過PID計算得到調(diào)節(jié)量，將調(diào)節(jié)量換算成PWM脈沖與原控制信號PWM脈沖信號求和得τs，τs作為新的步進電機控制信號控制步進電機。由于機械手抓取的角度在一定范圍內(nèi)，這里對步進電機的控制量加上限幅處理。主機械手標準力信號替換為從手的觸覺力，實現(xiàn)主手跟蹤從手力，從手跟蹤主手位置的目標。

4.1 遙操作控制結(jié)構(gòu)

遙操作系統(tǒng)[18-19]實驗控制流程如圖6所示。操作者在主機械手撥桿末端施加作用力，主手控制器通過從手力與施加力做PID計算控制步進電機角位移，通過數(shù)據(jù)通信發(fā)送給從機械手作為位置跟蹤目標。從機械手控制器采集從手位置與主手位置做PID計算控制量，經(jīng)過限幅處理后控制步進電機實現(xiàn)位置跟蹤。將從手觸覺力發(fā)送給主機械手實現(xiàn)力跟蹤。

圖6 遙操作系統(tǒng)實驗控制流程圖

根據(jù)圖6所示，主、從機械手控制程序分別通過各自控制板實現(xiàn)。從機械手選擇器件及結(jié)構(gòu)與主機械手完全一致，主手板控制器通過定時器中斷讀取串口通信從手的力、位置信息，通過A/D轉(zhuǎn)換采集主手觸覺力信息，將從手力與主手力經(jīng)PID計算得PWM值對步進電機控制，通過A/D轉(zhuǎn)換讀取角位移信號通過串口0發(fā)送給從手端。同時，主手控制器將主從手力、位置信息通過串口1發(fā)給上位機供數(shù)據(jù)采集記錄。從手控制器通過定時中斷讀取串口主手位置信息，通過A/D轉(zhuǎn)換讀取從手角位移信息，將主手、從手位置經(jīng)PID計算得PWM 值對步進電機控制。通過A/D轉(zhuǎn)換采集從手觸覺力信息，通過串口發(fā)送從手位置、力信息給主手控制器，整體系統(tǒng)實物如圖7所示。

圖7 遙操作系統(tǒng)實驗平臺實物連接圖

其中元器件選擇與力反饋裝置力覺再現(xiàn)實驗元器件選擇一致。主從機械手控制器在程序運行過程中，其基本結(jié)構(gòu)相同。首先就是包含串口通訊的各個模塊初始化，然后開定時器定時實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集及PID計算控制。其中主機械手控制器力跟蹤目標通過串口中斷接收從機械手發(fā)送過來的標準觸覺力信號，而從機械手位置跟蹤目標是通過串口中斷接收主機械手發(fā)送過來的主機械手角度值。主從機械手控制板經(jīng)過PID計算得到控制器調(diào)節(jié)量，通過PWM換算后加載到步進電機控制器上實現(xiàn)一次循環(huán)控制，然后等待下一次定時時間中斷。主、從機械手控制器控制流程如圖8所示。

圖8 主、從機械手控制器流程圖

4.2 力反饋遙操作實驗

為了實現(xiàn)抓取樣本的軟硬感覺，設(shè)計了從手虛擬力反饋實驗。從手不用觸覺力傳感器測量觸覺力，而是將從手力fs表示為角位移的函數(shù)，如式(7)所示，ks為虛擬彈簧系數(shù)。從手力反饋控制力發(fā)送給主機械手控制器，主手端感覺從手好像抓取了一個彈簧一樣，抓取的角位移越大，則從手端的反饋力越大，設(shè)置不同的彈性系數(shù)，則實現(xiàn)不同剛度材料的抓取，在主手操作過程中就可以感受到從手端抓取樣本的剛度系數(shù)不同。

(7)

設(shè)定主手PID參數(shù)為：kmp=0.1、kmi=0.01、kmd=0.01；從手PID參數(shù)為：ksp=0.1、ksi=0.01、ksd=0.01。實驗過程撥動主機械手的撥桿，將手指力作用于觸覺力傳感器上，實現(xiàn)主手最大位置的撥動，循環(huán)實驗多次，通過上位機接收數(shù)據(jù)并記錄主、從手力、位移信息。設(shè)定從手虛擬彈性系數(shù)ks=2.2、7.2時遙操作實驗力、位置跟蹤曲線分別如圖9、圖10所示。

圖9 虛擬力反饋實驗跟蹤曲線圖(ks=2.2)

圖10 遙操作虛擬力反饋實驗跟蹤曲線圖(ks=7.2)

由圖9、圖10可知，從手在受到觸覺力的條件下，依然保證對主手的位置跟蹤，響應(yīng)速度快，超調(diào)量小，跟蹤誤差在5%以內(nèi)，在主手上實現(xiàn)了對從手觸覺力的一致性。由于主手操作會出現(xiàn)一定的抖動，造成測量中有一定的干擾。主手力測量參考電壓選擇2.5 V,造成在2 500 mV處出現(xiàn)了限位。主手上力釋放后，從手、主手最終靜止在初始位置。

由于步進電機帶自鎖功能，沒有控制信號直接撥動電機軸轉(zhuǎn)動造成電機的堵轉(zhuǎn)燒毀電機。初始時刻步進電機旋轉(zhuǎn)軸有一個初始角度。在遙操作實驗過程中，當(dāng)主手上沒有觸覺力時，但主手控制器對觸覺力采集不會完全意義上的為0，而是一個較小值，此時若從手力為0，控制器會控制步進電機一直減小角位移達到最小角位移處，而無法搬動撥桿。操作者不操作主機械手時，從手有較小值觸覺力存在，類似力覺再現(xiàn)實驗，主手控制器會將步進電機驅(qū)動的撥桿控制到初始位置。

5 結(jié)束語

為了實現(xiàn)遙操作系統(tǒng)中精細化操作的目的，設(shè)計了用于人機交互功能的力反饋裝置。該裝置為單自由度結(jié)構(gòu)，基于步進電機驅(qū)動。利用STM32微控制器采集觸覺力信號以及關(guān)節(jié)位移信號，通過設(shè)計基于力誤差的控制律調(diào)整位置變量實現(xiàn)輸出力信號與標準力信號的匹配。為了驗證該力反饋裝置進行了標準力信號再現(xiàn)實驗。并且利用該力反饋裝置作為主機械手與單自由度從機械手搭建遙操作裝置，進行了力、位置雙邊跟蹤實驗驗證，滿足了該系統(tǒng)上實現(xiàn)對從手上對樣本抓取抓住、抓牢的特點，并且在主手上能夠感受抓取樣本的剛度，實現(xiàn)了主、從機械手力、位置協(xié)同一致的目的。整體系統(tǒng)具有很好的透明性、穩(wěn)定性。