多自由度电液伺服遥操纵机械手力反馈控制方法

摘要

本发明涉及一种多自由度电液伺服遥操纵机械手力反馈控制方法，可广泛用于空间探索、海洋开发、原子能应用、军事战场、抢险救助等代替人于危险或有害环境中从事作业任务。该方法以主－从端关节空间角度偏差形成反馈力，以雅可比矩阵构成的多维位置约束空间和冗余自由度空间矩阵形成反馈力增益，在主动侧形成与从动侧相同的位置空间，为遥操作者了解作业反力和因干涉产生的力觉信息。该方法通过在主动侧建立与从动侧完全相同的位置空间约束，使操作者通过反馈力的大小、方向和发生干涉自由度信息，把握从动侧干涉情况，真实地获得力觉临场感。

主权项

一种多自由度电液伺服遥操纵机械手力反馈控制方法，其特征在于：当从动侧任意自由度与障碍物发生干涉时，在主动侧操纵手柄上能够形成与从动侧相同的位置空间，使操作者感知从动侧干涉力大小、方向和发生干涉的自由度信息；设从动侧为6自由度机械手，公式(1)、(2)和(3)所示，操作空间向关节空间的力映射转换成广义约束在操纵手柄各自由度实现出来，使操作者完全把握从动侧各自由度干涉力大小、方向和障碍物作用的自由度，使操作者仿佛身临现场操作一样；(F_R)_6×1＝(R_m)_6×6·(q_d‑q_s)_6×1+(R_G)_6×6·(X_d)_6×1     (1)R_m＝[Φ(J₂,J₃,...J₆)^⊥,Φ(J₁,J₃,...J₆)^⊥,.....,Φ(J₁,J₂,...J₅)^⊥]   (2)R_G＝[Φ(I‑JJ⁺)]                    (3)式中：F_R为反馈力，q_d与q_s分别为主动侧操纵手柄受到操纵力后期望达到的关节空间角度和从动侧机械手实际达到的关节空间角度；R_m为位置约束空间矩阵，R_G为冗余自由度空间矩阵，J为从动侧机械手雅可比矩阵，J⁺为其广义逆矩阵，I为单位矩阵，Xd为期望位移；公式(2)中“⊥”为正交补空间；其具体实现步骤如下：(1)当操作者在主动侧施加操纵力时，由各自由度液压缸上端的力传感器检测出操作者在该自由度上的作用力，并经放大电路放大，与从动侧机械手在对应自由度上的干涉力检测值经力调整器单元的比较运算后，经从动侧控制器单元转换输出驱动从动侧机械手运动产生位移；(2)同时操纵力经主动侧控制器计算出操纵手柄在该操纵力作用下，各自由度期望位移，再经逆运动学解算出主动侧机械手理论上达到的关节空间角度；(3)由步骤(1)产生的驱动力，经从动侧控制器得到由该驱动力使从动侧各自由度产生的位移，计算得到从动侧机械手实际达到的关节空间角度；与主动侧期望达到的关节空间角度比较运算，若两者之间有差值，即从动侧任一自由度与障碍物干涉，则将该差值与位置约束空间矩阵相乘，形成多维力反馈控制信号；(4)多维力反馈控制信号控制伺服阀换向或改变流量，驱动操纵手柄各自由度作反向平移或转动，使操作者感受到从动侧干涉力；由于控制量为多维力反馈控制信号，操作者可同时感受到干涉力大小、方向和发生干涉的自由度。