基於虛實力融合的遙操作機器人力覺臨場感實現方法

2023-05-08 21:26:06

專利名稱：基於虛實力融合的遙操作機器人力覺臨場感實現方法
技術領域：
本發明涉及控制技術，特別地，涉及一種基於虛實力融合的遙操作機器人力覺臨 場感實現方法。
背景技術：
在力覺臨場感遙操作機器人系統中主邊向從邊發送位置信號，從端將力信號反饋 給操作者，這樣就構成了一個操作閉環。這一操作閉環中如果沒有時延的存在則是穩定的。 但是，由於力覺臨場感遙操作機器人系統通常應用於太空、深海等遠距離遙控的場合，從機 器人和本地操作者之間的通訊時延往往成為影響遙控作業系統正常工作的突出問題。為了 克服時延的影響人們提出了很多方法，主要可以分為兩類1.從控制算法著手，如基於無 源理論的控制方法，以及以後圍繞無源理論的改進等；2.利用虛擬實境技術，建立遠端環 境的三維幾何模型以及動力學模型，主端直接和沒有時延的三維模型交互，通過三維模型 來預見顯示從端的操作過程，以此來克服時延帶來的影響。其中準確的模型是保證遙操作 有效克服大時延影響，高質量地完成任務的前提條件，但由於環境事先未知或部分未知，現 有的虛擬預測環境建模方法均存在一定的誤差，這種誤差會隨著時延的增大而增大，從而 造成系統難以穩定操作。如何減小通訊時延對系統穩定性的影響，提高系統的穩定性和透 明性事先在遙操作機器人系統的主要研究方向。另外，實際的遙作業系統中，時延通常是不斷變化的，其通訊過程中的傳輸帶寬是 有限的，這些都給這個遙作業系統的控制帶來了更多的挑戰。尤其是在變時延情況下對突 變信號的獲取是至關重要的，因為突變信號往往是從機器人與環境相互作用的信號或者是 從機器人狀態發生變化的信號，所以這關乎整個遙操作作業的安全性，也是操作者能夠做 出及時的反應的重要前提。

發明內容
本發明提出了在遙操作機器人系統中使用虛實力融合的技術，利用虛擬環境提供 虛擬力信號，利用高通濾波器和低通濾波器對虛擬力信號以及從邊的反饋力信號進程處 理，獲得一個由無時延的高頻力信號與有時延的低頻力信號相融合的反饋力信號，最終使 操作者獲得力覺臨場感。基於虛實力融合的遙操作機器人力覺臨場感實現方法包括主機器人，通訊時延 環節，從機器人，環境，虛擬環境，高通濾波器和低通濾波器構成，其中通訊時延環節會對信 號造成變化的時延，通過測量獲得時延量T (t)，時延量T (t)的值域為1 20秒，高通濾波 器和低通濾波器的截止頻率都是通訊時延T(t)的函數且相等，高通濾波器的截止頻率為 ωΗ = kf/T(t)，低通濾波器的截止頻率為= kf/T(t)，kf為調節係數，取值範圍為0 1000,當截止頻率需要較大時，kf取較大值；當截止頻率需要較小時，kf取較小值。具體操作步驟如下操作者通過主機器人產生主邊位置信號xm，主邊位置信號Xm進入通訊時延環節，通訊時延環節會對信號造成變化的時延，通過測量獲得時延量T (t)，主邊位置信號Xm延時 後形成從邊位置信號xs，從邊位置信號Xs再進入從機器人，作為從機器人的輸入，從機器人 輸出環境位置信號&作用於環境，同時，環境提供給從機器人環境反作用力f；，即fe (0 = mexe + dexe + kexe其中，me為環境的慣性係數，de為環境的阻尼係數，ke為環境的彈性係數，從機器 人根據環境反作用力fe輸出從邊力信號fs，再進入通訊時延環節，延遲後輸出主邊力信號 fm，主邊力信號4再進入低通濾波器，輸出低頻力信號f L。主邊位置信號Xm的另一路進入 虛擬環境，輸出虛擬力信號fv，虛擬環境的模型為 人=m^m + + Kxm=fe+v其中，mv為虛擬環境的慣性係數，dv為虛擬環境的阻尼係數，kv為虛擬環境的彈性 係數，η為虛擬環境模型與真實環境模型之間的誤差，該誤差與通訊時延環節的時延T(t) 成反比，即η = α · T(t)其中，α為誤差係數，取值範圍為1 20，虛擬力信號fv再進入高通濾波器進行 濾波處理，高通濾波器輸出高頻力信號fv H。此高頻力信號fv H與低頻力信號f L進行疊 加，形成新的主邊力信號fmn，此新的主邊力信號作用主機器人，主機器人再作用於操作 者，使操作者獲得力覺臨場感。本發明的有益效果在於1.本發明實現了遙操作機器人系統力覺臨場感控制。2.通過高通濾波器提取虛擬力信號的高頻力信號，通過低通濾波器提取實際力信 號的低頻力信號，將實際反饋力的低頻力信號與虛擬環境輸出的高頻力信號進行結合，有 效地減小了時延對控制信號的失穩影響，降低了通訊帶寬的要求。3.由於虛擬環境以及高通濾波器輸出的實時的高頻力信號，將這種虛擬的高頻力 信號在不通過時延環節直接與實際的有時延的力信號疊加，反饋給操作者，這樣使操作者 及時地感知到突變信號，這些突變信號都代表了從機器人與環境的相互作用的一些突發情 況，所以本發明可以使操作者對從邊的突發情況作出及時的反應。


圖1本發明控制系統結構框圖。圖2低通濾波器響應圖。圖3高通濾波器響應圖。圖4低通濾波器輸出的力信號，即f L。圖5虛擬環境輸出的力信號，即fv。圖6高通濾波器輸出的力信號，即fvuH。圖7低頻力信號與高頻力信號疊加後的力信號，即f 。
具體實施例方式下面對本發明的實施例作進一步詳細描述，但本發明技術方案的保護範圍不限於下屬的實施例。本發明的控制結構由主機器人、通訊時延環節、從機器人、環境以及在主機器人和 通訊時延環境之間的虛擬環境、高通濾波器、低通濾波器組成。虛擬環境的建立是根據先驗知識儘可能準確地模擬真實環境，但在與環境交 互的過程中總會因為建模不確定項、時延等問題，與真實環境之間產生誤差。設真實環 境模型為Λ + + ，X為位置變量，虛擬環境的虛擬力反饋一個與時延成正比的 隨機噪聲的誤差簡化為一個與時延成正比的隨機噪聲，所以可以設虛擬環境的模型為 fv=rnvxm+dvxm+kvxm=fe+n，其中η是通訊時延T(t)的函數η = α ·Τ( )，代表了虛擬環 境模型與真實環境模型的誤差，時延越大該誤差也就越大。為了在變時延情況下及時地獲 取突變信號，本發明使用了高通濾波器，提取虛擬環境輸出的高通截止頻率ωΗ以上的高頻 信號。而對於從經過通訊時延環節反饋回來的力信號，使用低通濾波器對其進行濾波處理， 提取截止頻率以下低頻信號。設通訊時延為T (t)，在通訊時延T (t)變化的情況下，通過將低通濾波器和高通 濾波器的截止頻率設為時延的函數T(t)，即低通濾波器和高通濾波器的截止頻率與時延 T(t)成反比，當時延為0時，截止頻率為無窮大，高通濾波器阻斷所有從虛擬模型輸出的力 信號，低通濾波器通過所有從從邊傳輸來的力信號，即主機器人接收到的力信號完全為從 邊傳輸來的力信號；當時延為無窮大時，截止頻率為0，高通濾波器通過所有從虛擬模型輸 出的力信號，低通濾波器阻斷所有從從邊傳輸來的力信號。這兩種情況都是極端情況，正常 情況下時延大於零，小於一個最大值Tm，根據實際應用，Tm取值為10 20秒。仿真中設時 延為2秒。高通濾波器和低通濾波器的截止頻率都是通訊時延T (t)的函數，高通截止頻率 COH = kf/T(t)，低通截止頻率G^ = kf/T(t)，kf為濾波器的調節係數，根據本發明遙操作 系統的應用場合不同，kf的取值範圍為(0，1000)。仿真中用理想濾波器對本發明的控制
方法進行說明，理想低通濾波器的傳遞函數為&=\GLij(0)\eM^，其中昧(》1={J，
φ(ω) = - οω^Ο, ω為頻率變量，j為複數域變量。理想高通濾波器的傳遞函數為
G =MH,，其中丨=G⑷—產。廣為頻率變量，j為鍾域變量。
在實際應用中，濾波器可以根跟實際情況選擇各種模型的濾波器，如Butterworth濾波器、 Chebyshev I濾波器、Chebyshev II濾波器、橢圓濾波器、Bessel濾波器等。具體步驟如下操作者1通過主機器人2產生主邊位置信號xm，主邊位置信號Xm進入通訊時延環 節3，延時後形成從邊位置信號xs，從邊位置信號Xs再進入從機器人4，作為從機器人4的輸 入，仿真中令從機器人模型為Λ + y + h，ms = 2，bs = 0. 001，ks = 0，ms為從機器人 的慣性係數，bs為從機器人的阻尼係數，ks為從機器人的比例係數，仿真中令主機器人模型 為K + bJ + kmx，mm = 0. 6，bm = 0. 001，km = 0，其中mm為主機器人的慣性係數，bm為主 機器人的阻尼係數，km為主機器人的比例係數。從機器人4輸出環境位置信號χε作用於環 境5，同時，環境5提供給從機器人4環境反作用力fe，即Λ + # + h，例如me = 0. 8，de =0. 02，ke = 0，從機器人4根據環境反作用力f；輸出從邊力信號fs，進入通訊時延環節3進行延遲後，輸出主邊力信號fm，主邊力信號fm再進入低通濾波器8，輸出低頻力信號f-， 仿真中採用理想低通濾波器，Iga(M)I = U，，、 ， Λ ω為頻率變量，j為複數 附圖中圖2為低通濾波器響應圖，圖3為高通濾波器響應圖，低通濾波器將從邊傳 輸來的力信號進行濾波處理，得到圖4中的低通濾波器輸出的力信號，即fmA，圖5為虛擬環 境輸出的力信號，即fv，高通濾波器將從邊傳輸來的力信號進行濾波處理，得到圖6中的高 通濾波器輸出的力信號，即fv H，經過低頻力信號與高頻力信號疊加後，最後得到新的主邊 力信號，即fmn，可以看到高頻力信號沒有時延。
權利要求
一種基於虛實力融合的遙操作機器人力覺臨場感實現方法，其特徵在於，包括主機器人(2)，通訊時延環節(3)，從機器人(4)，環境(5)，虛擬環境(6)，高通濾波器(7)和低通濾波器(8)構成，其中通訊時延環節(3)會對信號造成變化的時延，通過測量獲得時延量T(t)，時延量T(t)的值域為1～20，高通濾波器(7)和低通濾波器(8)的截止頻率都是通訊時延T(t)的函數且相等，高通濾波器的截止頻率為ωH＝kf/T(t)，低通濾波器的截止頻率為ωL＝kf/T(t)，kf為調節係數，取值範圍為0～1000，具體操作步驟如下操作者(1)通過主機器人(2)產生主邊位置信號xm，主邊位置信號xm進入通訊時延環節(3)，通訊時延環節(3)對信號造成變化的時延，通過測量獲得時延量T(t)，主邊位置信號xm延時後形成從邊位置信號xs，從邊位置信號xs再進入從機器人(4)，作為從機器人(4)的輸入，從機器人(4)輸出環境位置信號xe作用於環境(5)，同時，環境(5)提供給從機器人(4)環境反作用力fe，即 f e= m e x e+ d e x e+ k e x e 其中，me為環境的慣性係數，de為環境的阻尼係數，ke為環境的彈性係數，從機器人(4)根據環境反作用力fe輸出從邊力信號fs，再進入通訊時延環節(3)，延遲後輸出主邊力信號fm，主邊力信號fm再進入低通濾波器(8)，輸出低頻力信號fmwL，主邊位置信號xm的另一路進入虛擬環境(6)，輸出虛擬力信號fv，虛擬環境(6)的模型為 f v= m v x m+ d v x m+ k v x m = f e+ 其中，mv為虛擬環境的慣性係數，dv為虛擬環境的阻尼係數，kv為虛擬環境的彈性係數，η為虛擬環境模型與真實環境模型之間的誤差，該誤差與通訊時延環節的時延T(t)成反比，即η＝α·T(t)其中，α為誤差係數，取值範圍為0～20，虛擬力信號fv再進入高通濾波器(7)進行濾波處理，高通濾波器(7)輸出高頻力信號fvωH，此高頻力信號fvωH與低頻力信號fmwL進行疊加，形成新的主邊力信號fmn，此新的主邊力信號fmn作用主機器人(2)，主機器人(2)再作用於操作者(1)，使操作者(1)獲得力覺臨場感。
全文摘要
一種基於虛實力融合的遙操作機器人力覺臨場感實現方法，操作者通過主機器人產生主邊位置信號xm，主邊位置信號xm進入通訊時延環境，延時後形成從邊位置信號xs，從邊位置信號xs再進入從機器人，作為從機器人的輸入。從機器人輸出環境位置信號xe作用於環境，同時，環境提供給從機器人環境反作用力fe，從機器人根據環境反作用力fe輸出從邊力信號fs，進入通訊時延環節進行延遲後，輸出主邊力信號fm，主邊力信號fm再進入低通濾波器，輸出低頻力信號fmwL。主邊位置信號xm的另一路進入虛擬環境，虛擬環境的模型為輸出虛擬力信號fv，虛擬力信號fv再進入高通濾波器進行處理，高通濾波器輸出高頻力信號fvωH。此高頻力信號fvωH與低頻力信號fmwL進行疊加，形成新的主邊力信號fmn，此信號作用主機器人。
文檔編號G05B17/02GK101986219SQ20101026581
公開日2011年3月16日 申請日期2010年8月27日 優先權日2010年8月27日
發明者吳涓, 宋愛國, 崔建偉, 李新 申請人:東南大學