触觉反馈装置及其变阻尼控制方法和应用
【技术领域】
[0001] 本发明涉及触觉反馈装置及其控制方法。
【背景技术】
[0002] 触觉反馈技术自从二十世纪初产生以来一直是科研人员研究的热点对象。在各种 主从操作或者远程操作应用中都得到了广泛应用。
[0003] 在控制系统中，触觉反馈装置必须准确地把触觉反馈装置的位姿传递给被操作 端，还需要在必要时降低被操作端的运动速度与距离，从而增加操作的稳定性和减小风险。 如在MicroHandA等手术机器人控制系统中引入了比例控制，它具有3 :1和5 :1两种主从 映射比例，其中前者在常规操作下使用后者在精细操作下使用。该种控制方法虽然能够规 避风险，但是不能解决操作时轻微抖动造成的细微影响，且当操作者由于失误等原因造成 较大速度与位移的行为（"过操作"）并没有进行风险控制，其只能减小过操作的程度，而不 能阻止和调整这种过操作行为。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于提供一种触觉反馈装置及其变阻尼控制方法及应用，以防范过 操作带来的风险。
[0005] -种触觉反馈装置包括控制设定输入端，控制器、具有η个关节的机械臂，每个所 述关节设有电机，所述电机分别与控制器耦接，
[0006] 所述控制器接收从所述控制设定输入端设定的笛卡尔空间的阻尼系数Cx，Cy，Cz， Cex，Cey，Cez，其中Cx，Cy，Cz分别是笛卡尔空间中X轴、Y轴、Z轴的直线方向的阻尼系数， Cex，Cey，(：02绕笛卡尔空间中X轴、Y轴、Z轴的旋转方向的阻尼系数；
[0007] 所述控制器根据所述笛卡尔空间的阻尼系数计算出各关节的阻尼力矩τ=1 至IJη的整数）；
[0008] 所述控制器根据所述各关节的阻尼力矩，各关节的摩擦补偿力矩和各关节的重力 补偿力矩得到各个关节处的合力矩τ，从而得到合力矩矩阵；
[0009] 所述控制器控制每个电机根据合力矩矩阵输出驱动力矩，驱动电机所连接的关 To
[0010] 所述的触觉反馈装置的是实施例中，所述笛卡尔空间的阻尼系数
以使所述机械臂的阻尼在笛卡尔空间中各向同性。
[0011] 所述的触觉反馈装置的是实施例中，各所述的关节还设置有位置传感器，所述位 置传感器用于检测相连的关节在关节空间中的关节速度U斤述控制器根据所述关节速度 汉，并由以下公式获得各关节的阻尼力矩τι:
[0013]
，其中，Ti是第i关节的阻尼力矩，i是1到η的整数，J是该触觉反 馈装置的雅克比矩阵，/是该触觉反馈装置的雅克比矩阵的转置矩阵，Fx、Fy、Fz、Nx、Ny、Nz* 别为笛卡尔空间中的相对于X轴、Y轴、Z轴的平移力和旋转力，VX，Vy，Vz分别是笛卡尔空间 X轴、Y轴、Z轴方向的线速度，ωχ，coy，〇^是笛卡尔空间中相对于X轴、Y轴、Z轴的旋转角 速度。
[0014] 所述的触觉反馈装置的是实施例中，所述控制设定输入端包括多个预设输入单 元，每个输入单元对应一个预设在控制器中的笛卡尔空间的阻尼系数，以适配所述电机输 出不同的驱动力矩。
[0015] 所述触觉反馈装置在手术机器人医生端的主操作手上的应用。
[0016] -种用于任一所述的触觉反馈装置的变阻尼控制方法，该方法包括：
[0017] (1)通过所述控制设定输入端设定笛卡尔空间的阻尼系数cx，cy，cz，cex，cey，cez;
[0018] (2)所述控制器接收从所述控制设定输入端设定的笛卡尔空间的阻尼系数 (：)!，(^，(；，(： ())!，(：(^，(：()2，并据此计算出各关节的阻尼力矩1^(1 = 1···]!);
[0019] (3)所述控制器，根据所述各关节的阻尼力矩τi，各关节的摩擦补偿力矩τf和各 关节的重力补偿力矩，得到各个关节处的合力矩τ，从而得到合力矩矩阵；
[0020] (4)所述控制器控制每个电机根据合力矩矩阵输出驱动力矩，驱动电机所连接的 夫。
[0021] 所述的变阻尼控制方法的实施例中，所述笛卡尔空间的阻尼系数
[0023] 所述的变阻尼控制方法的实施例中，各关节中位置传感器检测各关节在各关节 空间中的关节速度&，所述控制器根据所述关节速度A,由以下公式获得各关节的阻尼力 矩：
[0025]
:其中，^是第i关节的阻尼力矩，i是1到n的整数，J是该触觉反 馈装置的雅克比矩阵，/是该触觉反馈装置的雅克比矩阵的转置矩阵，Fx、Fy、Fz、Nx、Ny、Nz* 别为笛卡尔空间中的相对于X轴、Y轴、Z轴的平移力和旋转力，VX，Vy，Vz分别是笛卡尔空间 X轴、Y轴、Z轴方向的线速度，ωχ，coy，〇^是笛卡尔空间中相对于X轴、Y轴、Z轴的旋转角 速度。
[0026] 所述的变阻尼控制方法的实施例中，通过所述控制设定输入端选择预设的阻尼系 数，以设定所述笛卡尔空间的阻尼系数。
[0027] 在本发明的实施例中，操作者通过对触觉反馈装置的操作臂施加操作力矩来克服 电机产生的阻尼力矩使得操作臂产生运动，由于电机提供的阻尼的存在，因此可以把操作 速度控制在一定范围内，防止过操作，也能防止轻微抖动造成的不利影响，从而确保操作安 全。
【附图说明】
[0028] 本发明的上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描 述而变得更加明显，其中：
[0029]图1为本发明一实施例中触觉反馈装置的机构原理示意图；
[0030]图2为本发明一实施例中用于触觉反馈装置的控制方法的流程图；
[0031] 图3为本发明一实施例中变阻尼控制方法的方块图；
[0032]图4为本发明一实施例中力矩与速度的变化曲线图。
【具体实施方式】
[0033] 下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，在以下的描述中阐述了更多 的细节以便于充分理解本发明，但是本发明显然能够以多种不同于此描述的其它方式来实 施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下根据实际应用情况作类似推广、演 绎，因此不应以此具体实施例的内容限制本发明的保护范围。
[0034] 如图1所示，在本发明一实施例中，触觉反馈装置是具有6个关节的机械臂，其包 括基座1，关节10、11、12、13、14、15,以及关节10、11、12、13、14、15连接的连杆，还包括操作 端16即末端，实际操作时操作者控制触觉反馈装置操作端，对6个自由度的机械臂进行操 作。在本发明的其他实施例中，机械臂的关节或自由度不限于为6个。
[0035] 根据本发明的用于触觉反馈装置的变阻尼控制方法包括以下步骤：
[0036] 设定笛卡尔空间的阻尼系数(；，(；，(；，(：0：!，(^，(^，其中(；，(；，(；分别是笛卡尔空 间中X轴、Y轴、Z轴的直线方向的阻尼系数，Cex，Cey，(：02绕笛卡尔空间中X轴、Y轴、Z轴 的旋转方向的阻尼系数；
[0037] 计算出各关节处的阻尼力矩τyi=1至6的整数，阻尼力矩的大小不仅和阻尼 系数相关还与操作速度有关系，其按照公式％ = * 6；来表达，其中(^为该关节在关节 空间的阻尼系数，$为该关节处的转速，转速越大，阻尼力矩越大，阻尼系数越大，阻力力矩 也越大；
[0038]关节空间的电机输出力矩是由重力补偿力矩、摩擦力矩、阻尼力矩等组成的合力 矩，其可以通过下述公式来表示：
[0039] τf+τG+τi=τ
[0040] 因此，加上各关节的摩擦补偿力矩和各关节的重力补偿力矩，得到各个关节处的 合力矩τ，从而得到一个合力矩矩阵，本发明对重力补偿力矩、摩擦力矩的获取方法没有特 别的限制，本领域技术人员可以根据现有技术知悉；
[0041] 最后，控制器控制各关节处的电机根据合力矩矩阵输出所需要的驱动力矩。
[0042]当操作速度增大的时候其也能够增大阻尼力矩，这个特性对于触觉反馈装置操作 来说是有益的，这样能防止操作过程中由于操作失误等原因导致操作速度突然增大而增加 风险，根据上述速度与阻尼力矩的特性可以防止危险的发生，及时地调整操作速度。
[0043]根据本发明的方法，触觉反馈装置的使用流程如下，首先为包括该触觉反馈装置 的机器人整机开机完成初始化，操作者根据实际需要选择主从机器人系统的控制模式，选 择方法可以使用脚踏、控制面板和操作手开关等设定方法。操作者通过对操作端施加操作 力矩来克服阻尼力矩使得机械臂产生运动，该阻尼力矩由各关节的电机提供，由于阻尼的 存在，因此可以把操作速度控制在一定范围内