一种机械臂力觉临场感的主从遥操作控制系统及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种机械臂力觉临场感的主从遥操作控制系统及方法。
【背景技术】
[0002] 随着对海洋、宇宙资源的开发，核电站废料的清理，高压带电作业、显微外科手术 等这些高危、高压、强辐射、精细工作需求的不断提高，主从遥操作的研宄显得更加迫切。
[0003] 对于难以接近或者对人有害的危险的非结构化环境，操作者通过控制位于安全场 所的主手来远距离控制从手进入危险区进行作业，从手跟随主手运动的同时将与环境的作 用力传递给操作者。只有给操作者提供真实的视觉和力觉信息，操作者才能完成复杂精细 的作业任务。
[0004] 现有的主从机器人系统存在以下缺点：
[0005] (1)采用双向位置反馈来实现位置跟踪和力觉再现，但由于主从手间无法消除的 位置误差，使系统在自由空间运动也显得十分"迟滞"，直接影响系统的操作性能；
[0006] (2)利用将主从手两侧的位置和力信息采用不同融合方式，实现多传感器的信息 融合，构成不同的控制策略，但是，当从机器人的力直接作用在主机器人上，当从机器人从 自由运动到突然接触较大刚体的物体时，会对主机器人有较大的冲击。
【发明内容】
[0007] 本发明为了解决上述问题，提出了一种机械臂力觉临场感的主从遥操作控制系统 及方法，本系统在主从机器人上安装无线通信模块，实现控制指令与传感器信号的无线传 输，实现主从隔离，该控制策略能够实现主从的跟踪与主机械臂很好的力觉感，通过主从控 制的方式完成复杂作业，并通过各种传感器采集的信息，提高其操作性能。
[0008] 为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0009] -种机械臂力觉临场感的主从遥操作控制系统，包括主机械臂控制系统、主控制 系统和从机械臂控制系统，其中：
[0010] 所述主机械臂控制系统包括编码器、压力传感器、力矩电机、马达驱动器和第一无 线模块，所述编码器连接第一无线模块，所述第一无线模块与马达驱动器连接，马达驱动器 连接安装于主机械臂各关节处的力矩电机，第一无线模块与主机械臂上安设的压力传感器 连接；
[0011] 所述从机械臂控制系统包括电位器、压力传感器、伺服电机、马达驱动器和第四无 线模块，所述电位器安装于从机械臂的各个关节处，且连接第四无线模块，所述第四无线模 块与马达驱动器连接，马达驱动器连接伺服电机，第四无线模块与从机械臂上的压力传感 器连接；
[0012] 所述主控制系统，包括第二无线模块、第三无线模块、第一控制器、第二控制器、位 置比较模块、PID控制器和压力比较模块，其中，第二无线模块与所述第一无线模块通信，第 三无线模块连接所述第四无线模块，压力比较模块连接第二无线模块、第三无线模块和第 一控制器，所述位置比较模块连接PID控制器、第二无线模块和第三无线模块，PID控制器 连接第二控制器，第二控制器连接第三无线模块。
[0013] 所述主机械臂控制系统安装有急停、校对的按钮。
[0014] 所述主机械臂与从机械臂的结构一致，且两者尺寸呈比例关系。
[0015] 所述编码器内置于主机械臂上，采集主机械臂的位置、速度信号，并对其进行滤波 处理后，传输给第一无线模块。
[0016] 所述电位器安装于从机械臂的各个关节上，采集从机械臂的位置、速度信号，并对 其进行滤波处理后，传输给第四无线模块。
[0017] 基于上述主从遥操作控制系统的控制方法，包括以下步骤：
[0018] (1)操作机械臂运动时，主机械臂上的压力传感器检测到作用力为fQ，同时主机械 臂编码器检测主机械臂产生的位移Xm，通过第一无线模块传输给压力比较模块和位置比较 模块，从机械臂的压力传感器检测从机械臂与环境的作用力f；，从机械臂的移动位移Xs，并 通过第四无线模块传输给压力比较模块和位置比较模块；
[0019] (2)压力比较模块得到力误差信号传输到第一控制器，位置比较模块得到位置误 差信号后结合主、从机械臂尺寸比例，将处理结果传输给PID控制器，PID控制器对其进行 调节后将调节信号传输给第一控制器和第二控制器，第一控制器和第二控制器根据调节信 号产生相应的驱动力，分别通过第二无线模块和第三无线模块传输给第一无线模块和第四 无线模块；
[0020] (3)主机械臂控制系统和从机械臂控制系统的马达驱动器接受各自的驱动信号， 驱动力矩电机、伺服电机工作，使主、从机械臂执行相应运动。
[0021] 所述步骤⑵中，压力比较模块得出力误差信号为fQ-f；。
[0022] 所述步骤⑵中，位置比较模块得出位置误差信号xm-xs。
[0023] 所述步骤（2)中，第一控制器产生的驱动力为：
[0024]
【主权项】
1. 一种机械臂力觉临场感的主从遥操作控制系统，其特征是：包括主机械臂控制系 统、主控制系统和从机械臂控制系统，其中： 所述主机械臂控制系统包括编码器、压力传感器、力矩电机、马达驱动器和第一无线 模块，所述编码器连接第一无线模块，所述第一无线模块与马达驱动器连接，马达驱动器连 接安装于主机械臂各关节处的力矩电机，第一无线模块与主机械臂上安设的压力传感器连 接； 所述从机械臂控制系统包括电位器、压力传感器、伺服电机、马达驱动器和第四无线模 块，所述电位器安装于从机械臂的各个关节处，且连接第四无线模块，所述第四无线模块与 马达驱动器连接，马达驱动器连接伺服电机，第四无线模块与从机械臂上的压力传感器连 接； 所述主控制系统，包括第二无线模块、第三无线模块、第一控制器、第二控制器、位置比 较模块、PID控制器和压力比较模块，其中，第二无线模块与所述第一无线模块通信，第三无 线模块连接所述第四无线模块，压力比较模块连接第二无线模块、第三无线模块和第一控 制器，所述位置比较模块连接PID控制器、第二无线模块和第三无线模块，PID控制器连接 第二控制器，第二控制器连接第三无线模块。
2. 如权利要求1所述的一种机械臂力觉临场感的主从遥操作控制系统，其特征是：所 述主机械臂控制系统安装有急停、校对的按钮。
3. 如权利要求1所述的一种机械臂力觉临场感的主从遥操作控制系统，其特征是：所 述主机械臂与从机械臂的结构一致，且两者尺寸呈比例关系。
4. 如权利要求1所述的一种机械臂力觉临场感的主从遥操作控制系统，其特征是：所 述编码器内置于主机械臂上，采集主机械臂的位置、速度信号，并对其进行滤波处理后，传 输给第一无线模块。
5. 如权利要求1所述的一种机械臂力觉临场感的主从遥操作控制系统，其特征是：所 述电位器安装于从机械臂的各个关节上，采集从机械臂的位置、速度信号，并对其进行滤波 处理后，传输给第四无线模块。
6. 如权利要求1-5中任一项所述的主从遥操作控制系统的控制方法，其特征是：包括 以下步骤： (1) 操作机械臂运动时，主机械臂上的压力传感器检测到作用力为同时主机械臂 编码器检测主机械臂产生的位移Xm，通过第一无线模块传输给压力比较模块和位置比较模 块，从机械臂的压力传感器检测从机械臂与环境的作用力f；，从机械臂的移动位移X s，并通 过第四无线模块传输给压力比较模块和位置比较模块； (2) 压力比较模块得到力误差信号传输到第一控制器，位置比较模块得到位置误差信 号后结合主、从机械臂尺寸比例，将处理结果传输给PID控制器，PID控制器对其进行调节 后将调节信号传输给第一控制器和第二控制器，第一控制器和第二控制器根据调节信号产 生相应的驱动力，分别通过第二无线模块和第三无线模块传输给第一无线模块和第四无线 丰吴块； (3) 主机械臂控制系统和从机械臂控制系统的马达驱动器接受各自的驱动信号，驱动 力矩电机、伺服电机工作，使主、从机械臂执行相应运动。
7. 如权利要求6所述的控制方法，其特征是：所述步骤（2)中，压力比较模块得出力误 差?目号为fcrt。
8. 如权利要求6所述的控制方法，其特征是：所述步骤（2)中，位置比较模块得出位置 误差?目号xm_x s。
9. 如权利要求7或8所述的控制方法，其特征是：所述步骤（2)中，第一控制器产生的 驱动力为：
第二控制器产生驱动力为：
其中X1^ xs为主、从机械臂的位置向量，π^、Idi11为主机械臂的质量和阻尼矩阵，ms、1^为 从机械臂的质量和阻尼矩阵，为施加给主机械臂的力，1为外界环境给从机械臂的反作 用，fm、1^分别表不主、从机械臂的驱动力；Xms +.L)=^·(./"+./,.)，^、广是 主、从机械臂之间阻抗模型的质量、阻尼矩阵和刚度，ξρ= α，ξ f= α 2, α为主、从机械 臂的尺寸比例系数，I^k2JmPksf和λ均表示参数。
【专利摘要】本发明公开了一种机械臂力觉临场感的主从遥操作控制系统及方法，系统包括主机械臂控制系统、主控制系统和从机械臂控制系统，通过该系统的控制策略性能稳定可靠、信息处理平滑稳定，满足主从控制作业任务的要求。本发明的构思是在主从机器人上安装无线通信模块，实现控制指令与传感器信号的无线传输，通过主从隔离，实现主从的跟踪与主手很好的力觉感；本发明通过主从控制的方式完成复杂作业，并通过各种传感器采集的信息，提高其操作性能。
【IPC分类】B25J13-00, B25J3-04
【公开号】CN104827458
【申请号】CN201510209141
【发明人】谭林, 慕世友, 任杰, 傅孟潮, 鲁守银, 李健, 王振利, 吕曦晨, 李建祥, 赵金龙, 陈强, 赵亚博
【申请人】山东鲁能智能技术有限公司
【公开日】2015年8月12日
【申请日】2015年4月28日