（机械电子工程专业论文）遥操作工程机器人系统设计及力反馈控制.pdf

摘要 摘要 遥操作工程机器人是由人操作的在恶劣环境下作业的工程机械。为了使遥操作系统 具有良好的力反馈控制特性，需要实现准确实时的力反馈。为此，本文建立了遥操作工 程机器人系统，并对系统的阶跃响应特性、位置跟随特性以及力反馈控制特性进行了实 验研究；为改善系统力反馈控制特性，提出了一种基于回归模型的力反馈控制方法，并 通过实验验证了其有效性。本文主要研究内容如下： 1 确定了遥操作工程机器人系统的总体设计方案；采用类比法设计了工程机器 人的抓手结构：利用相似原理将挖机改装成了工程机器人；对遥操作工程机器人的液 压系统进行了参数设计；还完成了其电控系统设计。 2 基于w i n d o w s 平台，在v c + + 环境下，用m f c 开发了相应的控制软件系统； 利用d i r e e t x 编程接口实现了遥控手柄与计算机间的通信。 3 设计了系统从动手机构的p i d 串联校正控制器，进行了系统的阶跃响应特性 和位置跟随特性等实验研究，实现了较为满意的控制效果。 4 空载运行已建立好的遥操作工程机器人系统，得到了抓手机构的位移、速度、 加速度等运动参数数据以及空载驱动力数据，利用得到的数据，在s i g m ap l o t 软件平 台上分析了这些运动参数对空载驱动力的影响规律，假定了它们之间的多元非线性函 数关系；对假定的多元函数关系，利用泰勒展开式对其进行了逼近，采用了非线性回 归拟合找到了这些运动参数与空载驱动力之间的最佳回归方程和最优回归系数，最终 得到了抓手机构的空载驱动力多元非线性回归模型。 5 根据回归模型，设计了基于空载驱动力回归模型的间接力反馈控制方法：利用 该方法，在遥操作工程机器人系统上进行了力反馈控制特性实验研究；与常规的间接 力反馈控制方法进行对比实验可知：改进的方法提高了力反馈的准确度和同步程度， 改善了系统的力反馈控制特性，同时验证了假定的函数关系和得到的回归模型是正确 的。 本文研究成果对改善遥操作工程机器人力反馈控制特性有借鉴作用。 广东工业大学硕士学位论丈 关键词：遥操作；工程机器人；液压系统；伺服控制；回归模型；力反馈 a b s t r a c t a bs t r a c t t h et e l e - o p e r a t e dc o n s t r u c t i o nr o b o ti sc o n s t r u c t i o nm a c h i n e r y , w h i c hi sc o n t r o l l e db y p e o p l e ，w o r k i n gi ne x t r e m ee n v i r o n m e n t s i no r d e rt oe n s u r et h a tt h et e l e - o p e r a t i o ns y s t e m h a sg o o dc o n t r o lc h a r a c t e r i s t i co ff o r c ef e e d b a c k ，t h ea c c u r a t ea n dr e a lt i m ef o r c ef e e d b a c k s h o u l db ea c h i e v e d t h e r e f o r e ，t h i st h e s i s d e v e l o p sat e l e - o p e r a t e dc o n s t r u c t i o nr o b o t s y s t e m , a n de x p e r i m e n t a lr e s e a r c h e s o ns t e p r e s p o n s ec h a r a c t e r i s t i c ，p o s i t i o nf o l l o w c h a r a c t e r i s t i ca n df o r c ef e e d b a c kc h a r a c t e r i s t i co ft h e s y s t e ma r cp e r f o r m e d a f o r c e f e e d b a c kc o n t r o lm e t h o db a s e do nr e g r e s s i o nm o d e lw a sp r o p o s e dt oi m p r o v ef o r c e f e e d b a c kc o n t r o lc h a r a c t e r i s t i co ft h es y s t e m a n dt h eu s e f u l n e s so fp r o p o s e dm e t h o di s c o n f i r m e db ye x p e r i m e n t t h em a i nr e s e a r c ho ft h ep a p e ri sa sf o l l o w 1 t h eh o l i s t i cd e s i g ns c h e m eo ft h et e l e - o p e r a t e dc o n s t r u c t i o nr o b o ts y s t e mi s d e t e r m i n e d t h ef 0 r kg l o v es t r u c t u r eo ft h ec o n s t r u c t i o nr o b o ti sd e s i g n e db ya n a l o g y a e x c a v a t o ri sm o d i f i e dt ob et h ec o n s t r u c t i o nr o b o tb a s e do ns i m i l a r i t yp r i n c i p l e t h e p a r a m e t e r so ft h eh y d r a u l i cs y s t e mo ft h ec o n s t r u c t i o nr o b o ta l ed e s i g n e d a n dt h e e l e c t r o n i cc o n t r o ls y s t e mo ft h et e l e o p e r a t e dc o n s t r u c t i o nr o b o ti sd e s i g n e dt o o 2 t h ec o r r e s p o n d i n gc o n t r o ls o f t w a r es y s t e mi sd e v e l o p e di nt h ev c + + e n v i r o n m e n t b ym e a n so fm f c b a s e do nw m d o w so p e r a t i o ns y s t e m t h ec o m m u n i c a t i o n sb e t w e e nt h e j o y s t i c k sa n dt h ec o m p u t e ra r ed e v e l o p e du s i n gd i r e c t xp r o g r a m m i n gi n t e r f a c e s 3 ap i ds e r i e s c o m p e n s a t o rc o n t r o l l e r o nt h es l a v eo ft h e s y s t e mi sd e v i s e d e x p e r i m e n t a lr e s e a r c h e so ns t e pr e s p o n s ec h a r a c t e r i s t i ca n dp o s i t i o nf o l l o wc h a r a c t e r i s t i c a r ed o n et oi m p r o v et h ep o s i t i o nc o n t r o le f f e c to ft h es y s t e m 4 t h ed a t ao fk i n e t i cp a r a m e t e r sa n dn o l o a dd r i v i n gf o r c eo ft h ef o r kg l o v ea r c o b t a i n e db yr u n n i n gt h ec o n s t r u c t i o nr o b o to nn o - l o a dc o n d i t i o n a c c o r d i n gt ot h e s ed a t a ， t h ei n f l u e n c eo ft h ek i n e t i cp a r a m e t e r sa c t i n go nn o - l o a dd r i v i n gf o r c ei sa n a l y z e do nt h e s i g m ap l o tp l a t f o r ma n dt h em u l t i v a r i a t en o n l i n e a rf u n c t i o n a lr e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h e mi s a s s u m e d a n dt h e n ，t a y l o r se x p a n s i o no fm u l t i f u n c t i o ni su s e dt o a p p r o x i m a t e i t i i i 广东工业大学硕士学位论文 m o r e o v e r , t h eo p t i m a lr e g r e s s i o ne q u a t i o n sa n dd a t aa b o u tt h e ma r eo b t a i n e db yn o n l i n e a r r e g r e s s i o nf i t t i n ga n dt h em u l t i v a r i a t en o n l i n e a rr e g r e s s i o nm o d e lo fn o l o a dd r i v i n gf o r c e o ft h ef 1 0 r kg l o v ei sb u i l tu pf m a l l y 5 a ni m p r o v e di n d i r e c tf o r c ef e e d b a c kc o n t r o lm e t h o db a s e do nt h er e g r e s s i o nm o d e l i sd e s i g n e d e x p e r i m e n t a lr e s e a r c h e so nf o r c ef e e d b a c kc o n t r o lc h a r a c t e r i s t i ca r ec a r r i e do n u s i n gt h en o v e lm e t h o d c o m p a r i n g 、肮t 1 1t h ee x p e r i m e n to ft h ec o n v e n t i o n a li n d i r e c tf o r c e f e e d b a c kc o n t r o lm e t h o d ，w el e a r nt 1 1 a tt h ei m p r o v e dc o n t r o lm e t h o di n c r e a s e st h ea c c u r a c y a n ds y n c h r o n i z a t i o no ff o r c e f e e d b a c k , i m p r o v e sf o r c ef e e d b a c kc o n t r o lc h a r a c t e r i s t i co f t h es y s t e m a n dt h e n ，m e a n w h i l e ，c o r r e c t n e s so ft h ea s s u m e df u n c t i o n a lr e l a t i o n s h i pa n d t h er e g r e s s i o nm o d e li sv e r i f i e d t h ea c h i e v e m e n t so ft h i ss t u d yp r o v i d et h eb e n e f i c i a lr e f e r e n c ef o ri m p r o v i n gt h ef o r c e f e e d b a c kc o n t r o lc h a r a c t e r i s t i co ft h et e l e - o p e r a t e dc o n s t r u c t i o nr o b o t k e y w o r d s ：t e l e o p e r a t i o n ；c o n s t r u c t i o nr o b o t ；h y d r a u l i cs y s t e m ；s e r v oc o n t r o l ； r e g r e s s i o nm o d e l ；f o r c e - f e e d b a c k c o n t e n t s a b s t r a c t ( c h i n e s e ) i a b s t r a c t 。i i i c o n t e n t s ( c h i n e s e ) v c o n t e n t s 。l x c h a r p t e r1p e r f a c e 1 1 1i n t r o d u c t i o n 1 1 2r e s e a r c hs t a t u sa n a l y s i so ft e l e - o p e r a t e dc o n s t r u c t i o nr o b o t 1 1 3r e s e a r c hs t a t u sa n a l y s i so ff o r c ef e e d b a c kc o n t r o lm e t h o d 4 1 4p r o j e c ts o u r c ea n dm e a n i n go ft h i st h e s i s 8 1 5m a i nr e s e a r c ho f t h i st h e s i s 8 c h a r p t e r2t e l e - o p e r a t e dc o n s t r u c t i o nr o b o th a r d w a r es y s t e md e s i g n 11 2 1h o l i s t i cd e s i g ns c h e m eo ft e l e o p e r a t e dc o n s t r u c t i o nr o b o ts y s t e m 11 2 2t e l e - o p e r a t e dc o n s t r u c t i o nr o b o tm e c h a n i c a ls y s t e md e s i g n 1 2 2 3t e l e - o p e r a t e dc o n s t r u c t i o nr o b o th y d r a u l i cs y s t e md e s i g n 14 2 3 1c a l c u l a t i o na n ds e l e c t i o no f p u m pa n dm o t o r 1 4 2 ：i 2s e l e c t i o no f o i lf i l t e r 1 5 2 3 3s e l e c t i o no fc o m m o nv a l u ea n dh y d r a u l i cc o m p o n e n t s 15 2 3 4c a l c u l a t i o na n ds e l e c t i o no f p r o p o r t i o n a lv a l v e 1 6 2 3 5c a l c u l a t i o na n ds e l e c t i o no f a c c u m u l a t o r 16 2 3 6s e l e c t i o no f h y d r a u l i cc y l i n d e r 1 7 2 4t e l e o p e r a t e dc o n s t r u c t i o nr o b o te l e c t r i cc o n t r o ls y s t e md e s i g n 17 2 4 1s e l e c t i o no fi n d u s t r i a lp e r s o n a lc o m p u t e r 18 2 4 2s e l e c t i o no fd a qc a r d 18 i x 广东工业大学硕士学位论文 2 4 3s e l e c t i o no fd i s p l a c e m e n ts e n s o r 。18 2 4 4s e l e c t i o no fp r e s s u r es e n s o r 18 2 4 5s e l e c t i o no f j o y s t i c k 1 9 2 4 6e l e c t r o n i cc o n t r o ll i n ed e s i g na n dc o n n e c t i o n 19 2 5s u m m a r yo fc h a p t e r2 2 7 c h a p t e r 3t e l e - o p e r a t e dc o n s t r u c t i o nr o b o ts o f t w a r es y s t e md e s i g n 2 9 3 1i n t r o d u c t i o no fv i s u a lc + + 6 0 2 9 3 2i n t r o d u c t i o no fm f c 3 0 3 3i n t r o d u c t i o no fd i r e c t x 3 0 3 3 1i n s t a l l a t i o na n dc o n f i g u r a t i o no f d i r e c t x 3 1 3 3 2p r o g r a m m i n gi n t r o d u c t i o no f d i r e c t i n p u t 3 1 3 4i n t r o d u c t i o no fa c t i v ed a qc o n t r o lo f y a n h u a 3 2 3 4 1i n t r o d u c t i o no fa c t i v ed a q 3 2 3 4 2i n s t a l l a t i o na n du s eo fa c t i v ed a q 3 3 3 5s o f t w a r ep r o g r a md e s i g n 3 3 3 5 1m a i np a r to f p r o g r a md e s i g n 3 3 3 5 2d i r c c t xp r o g r a m m i n g 3 9 3 5 3i n t e g r a t i o nb e t w e e nd i r e c t xp r o g r a ma n dm a i np r o g r a m 4 3 3 6s u m m a r yo fc h a p t e r3 4 3 c h a p t e r4m o d e l i n go fn o l o a dd r i v i n gf o r c e o ff o r kg l o v e 4 5 4 1a n a l y s i so fi n f l u e n c ef a c t o r so fn o l o a dd r i v i n gf o r c e 。4 5 4 2m o d e l i n go fn o - l o a dd r i v i n gf o r c eo ff o r kg l o v e 4 6 4 2 1i n t r o d u c t i o no fr e g r e s s i o na n a l y s i s 4 6 4 2 2i n t r o d u c t i o no fls t o p t 4 7 4 2 3m o d e l i n go fn o - l o a dd r i v i n gf o r c e 4 7 4 3s u r m n a r yo fc h a p t e r4 4 9 c h a p t e r5e x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho nt e l e - o p e r a t e d c o n s t r u c t i o nr o b o t 51 x 5 1e x p e r i m e n t a ls c h e m ea n d t h e o r y 51 5 2e x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho np o s i t i o nc o n t r 0 1 51 5 2 1b a s i ct h e o r yo f p i d c o n t r o l 5 1 5 2 2s 仃u c t u r eo f p o s i t i o nc o n t r o l 5 2 5 2 3a d j u s t i n go ft h es y s t e ma n dp i dc o e f f i c i e n t s 5 3 5 2 4e x p e r i m e n to fs t e pr e s p o n s e 5 4 5 2 5e x p e r i m e n to f p o s i t i o nc o n t r o l 5 6 5 3e x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho nf o r c ef e e d b a c kc o n t r o l 6 1 5 3 if o r c ef e e d b a c kc o n t r o lb a s e do nr e g r e s s i o nm o d e l 6 1 5 3 2r e l a t i v ea c c u r a c yr a t i n go ff o r c ef e e d b a c k 6 2 5 3 3e x p e r i m e n to ff o r c ef e e d b a c kc o n t r o l 6 2 5 4e x p e r i m e n t a lc o n c l u s i o n 6 5 5 5s u m m a r yo f c h a p t e r5 6 5 c o n c l u s i o n s 6 7 o n es u m m a r yo ft h ep a p e r 6 7 t w of u t u r ew o r k 6 8 r e f e r e n c e 6 9 p u b l i s h e dp a p e r s 7 3 s t a t a m e n to f o r i g i n a l i t y 7 5 a c k n o w l e d g e m e n t s 7 7 x i x n 第一幸绪论 第一章绪论 1 1 引言 目前，由于机器人具有一定的灵活性、可以提高生产率、改进产品质量和改善劳 动条件等优点，得到了广泛的应用。但是，绝大多数机器人的灵活性只是针对其能够 反复编程而言，其工作环境相对来说是固定的，完成的任务相对简单。而由于人类活 动范围和探索空间的不断扩大，需要研制出更大灵活性，更高智能的机器人，使其能 够在未知或复杂环境下安全工作、完成特定任务。 2 0 世纪8 0 年代对智能机器人的研究表明，由于机构、控制、人工智能和传感技术 水平的限制，在短时间内尚难以研制出能在未知或复杂环境下工作的全自主式智能机 器人。然而，随着诸如空间探索( 卫星的修理，空间站的维护，月球、火星等行星的勘 探) 、海洋开发( 海洋资源调查，深海打捞，水下电缆修理，海底考古等) 以及国防建设( 战 场、防化、扫雷、救护等) 等领域的发展，迫切需要大量工作在危险和危害人体健康环 境下的高级智能机器人( 1 】。于是，在如此情形下，遥操作机器人应运而生。 遥操作机器人是指：在人的操作下，能够在人难以接近或对人有害的环境中，完 成比较复杂操作的一种远距离操作系统。它依托临场感技术，使人在控制远方机器人 进行作业的同时，又得到机器人在“知觉 上的反馈( 比如听觉、视觉、力觉的反馈等 等) ，这样使操作者产生身临其境的感受，从而可以更自然、直观和本能地控制机器人 作业。遥操作机器人充分利用了人所固有的感觉和反应能力，将人的智慧融入到机器 人作业过程中，大大提高了机器人的智能和自主作业能力，使机器人能够在未知或复 杂环境中完成过去不易或不能完成的任务1 2 l 。 1 2 遥操作工程机器人研究现状分析 2 0 世纪4 0 年代末由于核工业上的应用需求，许多国家政府，比如美国、日本和一 些西欧等工业比较发达的国家开始研究开发遥操作工程机器人相关技术。研究范围主 要集中在时延对临场感系统稳定性的影响、虚拟现实技术、力觉临场感理想性能的实 现】、相关控制理论与方法的研究等。 广东工业大学硕士学位论丈 上世纪8 0 年代末9 0 年代初，为了减弱系统时延对力反馈控制的影响，虚拟预测力 反馈控制开始引起人们的重视。有学者提出了延时情况下将真实力和虚拟力结合的方 法【9 l 。如：1 9 8 9 年s h e r i d e n 设计的视觉预测显示系统就用了力觉预测显示技术，通过提 供给操作者预测的力和位置反馈信息使得操作者能够预测时延系统的响应。1 9 9 1 年美 国n a s a 针对通讯时延对空间机器人的影响设计了空间机器人环境仿真器g l e t s ， g l e t s 使操作者置身于一个实时的、交互式的、有力预测反馈、模拟的遥操作机器人 现场的虚拟环境中i t 0 ) 。1 9 9 2 年k o t o t u 等人基于“虚幻机器人 思想，提出将远地工作环 境及其构件作为整体来建立虚拟模型，他们建立了带有力反馈的虚拟预测显示系统【i l l 。 同年，r o s e n b e r g 采用“虚拟夹具”来处理时延的力反馈遥操作机器人的控制l 垃】。1 9 9 6 年h a j i m e 通过建立“虚拟向导 引入预测力反馈。2 0 0 0 年，p e n i n 等人采用虚拟力势场 的方法在手控器上产生力反馈，实现更准确的力反馈控铝1 0 3 1 。 文献【9 】表明，虚拟预测力反馈虽然在一定程度上减弱了系统时延对力觉反馈控制 的影响，但其虚拟交互力的求解都是基于变形计算，对交互力的建模也主要研究力与 形变的关系，很少考虑环境动力学的作用，得到的虚拟力反馈会有较大误差。 针对力觉临场感理想性能的实现问题，日本岐阜大学进行了比较全面的研究。日 本岐阜大学先采用变增益对称位置控制算法，提高了力觉反馈控制的准确性【1 ，之后 又提出了改进的变增益对称位置控制算法，该算法通过获得驱动力的阈值与机械手的 位置误差变化率之间的函数关系嗍，使得力觉反馈控制更加准确灵敏。文献【3 】中，日 本岐阜大学还运用虚拟机器人技术来减小时延对机器人控制特性的影响。 日本岐阜大学采用的变增益对称位置控制算法还存在一定缺陷：当从机器人抓取 较软的物体时，若以一个相对较慢的速度抓取，操作者就不能感受到力了，并且当主 从机器人位置误差很小时，反馈的力也不明显了。而在改进的变增益对称位置控制算 法中，表征驱动力的阈值与机械手的位置误差变化率之间关系的函数并不非常准确， 还需研究改进。 由于近几年来，计算机网络技术的飞跃发展，这给交互式远程遥操作机器人技术 提供了广阔的应用空间【1 6 l 。基于i n t e m e t 的遥操作工程机器人成为研究热点。但由于网 络时延的影响，其控制特性还有待改善。 2 我国8 6 3 高技术计划中，智能机器人的主题也已将遥操作临场感技术列为关键技术 进行研究，并于1 9 9 5 年开始，陆续有许多高校院所开展了依托临场感技术和基于i n t e r n e t 的遥操作机器人的研究0 ，- 1 9 1 ，其主要集中在解决空间大时延1 2 0 - 2 2 1 、虚拟环境建模 7 j - 2 6 1 、主 操作手的设计 2 7 1 、力反馈控制方法、机器人系统软件设计 2 9 - 3 0 1 等问题的研究上，并且取 得了些研究成果。 针对力反馈控制的研究，主要集中在吉林大学和广东工业大学。 吉林大学对力反馈控制进行了全面研鬼，叼，它综合了对称型双向伺服控制系统和 力直接反馈型双向伺服控制系统的优点，以从端受力形成力反馈控制量的增益，位置 误差和位置误差的变化率形成力反馈控制量，提出了改进对称型控制算法，即力一位 置综合型双向伺服控制算法，实现了更有效的力反馈控制嗍之后又采用史密斯数字 控制器改进控制算法，使系统对时延有良好的鲁棒性，从而使力觉反馈控制受时延的 影响减小i 删。吉林大学还提出基于t - q 型模糊推理逻辑来构造一个非线性模糊变增益 力反馈系数，从而改进力反馈控制方法，改进的控制方法既能保证从手对主手( 操作者 用于输入操作指令的器件，如操作手柄等) 的位置跟随精度，又能使主手连续的跟随从 手受力情况，减小了反馈力冲击现象，增加了力反馈的平顺性川。 可是，吉林大学提出的力位置综合型双向伺服控制算法存在的问题是：在抓取 较软物体时，力觉反馈就不明显了。之后采用的史密斯数字控制器改进控制算法，虽 使力觉反馈控制受时延的影响减小，但力感提示的精确度却不够高。吉林大学提出的 基于t - q 型模糊推理逻辑的力反馈控制方法，该方法存在的问题是：不能够很好的体 现所抓取的较软物体的软度。 广东工业大学提出一种基于阻抗辨识器的遥操作工程机器入主从控制方法。该方 法首先建立负载阻抗辨识器模型，依此模型，通过在线提取负载力和监测负载形变， 获得负载阻抗，以此改变从手机构的控制量，从而使力觉反馈更准确1 4 2 l 。另外，广东 工业大学还提出了一种基于神经网络的遥操作工程机器人力反馈控制方法，该方法提 高了力反馈控制的准确性和同步精度l 耵l 。 该校提出的基于阻抗辨识器的遥操作工程机器人主从控制方法和基于神经网络的 遥操作工程机器人力反馈控制方法，对于准确提取负载力效果很好，但是实现起来有 点复杂。 3 针对如何提高遥操作机器人操作性能，减小时延的影响，中国科学院沈阳自动化 研究所提出一种结合操作者意图分析的机器人控制方法，该方法利用动态神经元群模 型对操作者发送的控制指令序列进行分析，实现对操作者意图推断，提高了控制系统 的操作性能和效率 4 4 1 。华南理工大学为抵消网络可变时延对遥操作系统的影响，基于 一种新的改进型s m i t h 预估器，提出了新的时延缓冲器管理算法，从而更好地将可变时 延转化为常时延，增强了系统控制的实时性【4 5 1 ，减小了时延对力反馈控制的影响。 中国科学院沈阳自动化研究所提出的一种结合操作者意图分析的机器人控制方法 和华南理工大学提出的新的时延缓冲器管理算法，虽改善了时延对机器人系统的影响， 但实现起来较复杂，对力反馈控制的改善不明显。 1 3 力反馈控制方法的研究现状分析 遥操作工程机器人系统为了使操作者有身临其境的感受，需要实时地为操作者提 供工作现场的各种信息。其中，力反馈信息是遥操作系统中非常重要的一种信息。在 遥操作系统中加入力反馈信息，有助于操作者准确地了解工作现场及工作对象物体的 状况，为准确地实施操作提供判断依据，可极大地提高遥操作系统的工作性能。 一般遥操作工程机器人采用主从控制结构，由主动手机构和从动手机构两部分构 成，其作业任务是通过操作者操纵主动手机构控制远端作业现场的从动手机构完成的 m 。遥操作工程机器人力觉反馈是指：操作者操纵主动手机构，控制遥操作工程机器 人，从而控制遥操作工程机器人对环境施加的作用力，而环境与遥操作工程机器人之 间的相互作用力通过传感器反馈到主动手机构上，主动手机构产生相应的力效果，使 操作者在操作控制过程中感受到相应的作用力。这整个过程就构成了力反馈控制。 目前，最常用的力反馈主从控制方法，可归纳为以下几种类型： 1 对称位置型 图1 1 为对称位置型伺服控制结构，y 尉、k 为主、从动手机构位移，凡、凡为主、 从动手机构所受到的力，主位置控制器将主从位置跟随偏差及其变化率转换成产生主 动手机构力觉的控制量： 虬= 尺( 匕一】，) + o ( 匕一】，) ( 1 1 ) 式中，为主位置控制器比例、微分增益。 4 y m4 - 一一y s f m 圭竺竺竺吲兰竺兰兰竺竺r 叫竺三兰竺竺吲竺兰三竺j 二f s 二| 竺竺 图1 1 对称位置型 f i g 1 1s y m m e t r i c p o s i t i o nt y p e 该方法不需要力检测装置，系统结构简单。但是，主位置控制器输入信号中未含从 动手机构的负载力，主动手机构得不到真实的力觉。 2 直接力反馈型 图1 2 直接力反馈型 f i g 1 - 2d i r e c tf o r c ef e e d b a c kt y p o 如图1 2 所示，系统通过从动手机构末端的力传感器将负载力直接反馈给主力控 制器，由主力控制器产生主动手机构的力觉控制量： u 晴= k 够f 3 ( 1 2 ) 式中，杨为主力控制器的直接力反馈增益。 该方法可使主动手机构得到真实的力觉，但是，直接测力传感器易磨损，精度会 降低，力反馈会不准确。 3 间接力反馈型 如图1 3 所示，系统通过测量从动手机构的驱动力f 并反馈给主力控制器，间接得 到主动手机构的力觉控制量： u m = k 嗲f 式中，勖为主力控制器的间接力反馈增益。 5 ( 1 3 ) 广东工业大学硕士学位论文 图1 - 3 间接力反馈型 f i g 1 - 3i n d i r e c tf o r c ef e e d b a c kt y p e 该方法解决了直接测力难题，缺点是用驱动力代替负载力会带来一定的误差，由 于受从动手机构运动的惯性力和阻尼力等影响，主动手机构获得的力觉和力觉同步误 差较大。 4 间接力反馈改进型 图l 一4 间接力反馈改进型 f i g 1 - 4i n d i r e c tf o r c ef e e d b a c ki m p r o v e d t y p e 为了克服间接力反射型的缺点，图l - 4 采取了用近似的空载驱动力消除误差的方 法，即首先测出从动手机构在空载最大加速度运动状态下的空载驱动力r ，然后将其 视为恒定的阈值引入到系统中。系统将任意状态下的驱动力f 与阈值凡比较后再反馈 给主力控制器，得到主动手机构的力觉控制量： = 伊一= 卜剐刈 ( 1 4 ) 式中，为主力控制器力反馈增益。 该方法可以一定程度的消除从动手机构惯性力和阻尼力等影响，但空载驱动力实 际上是非线性和时变的，故以此方法获得的力觉的准确度和同步精度不高。 5 变增益对称位置型 图1 5 是对称位置控制结构的改进型，利用了驱动力，与阈值r 比较后的力差来 6 调节主力控制器的增益，主动手机构的力觉控制量为： = z k 厶( 匕一y ，) + 砜( 匕一】，) ( 1 5 ) 鼽丁：l 芒等( 厶i ) 其中，丁= ( 瓦“一) 叫1 v io e l s e 式中，丁为位移力转换增益，r 积为最大驱动力。 图1 5 变增益对称位置型 f i g i - 5v a r i a b l eg a i ns y m m e t r i cp o s i t i o nt y p e 由于r 近似反映了从动手机构的负载力，该方法在一定程度上克服了对称位置型 的不足，但将空载驱动力仍视为定值，力觉及同步精度还是不高。 6 变增益间接力反馈型 图1 6 变增益间接力反馈型 f i g i - 6v a r i a b l eg a i ni n d i r e c tf o r c ef e e d b a c kt y p e 图1 - 6 是间接力反馈型的又一种改进型，主动手机构的力觉控制量为： = 码， ( 1 6 ) 丁与式( 1 5 ) 中相同。该方法也在一定程度上克服了间接力反馈型的不足，但主动 手机构获得的力觉及同步精度仍然不高。 比较上述6 种控制类型可以看出，从工