主从式遥微操作机器人力反馈控制系统的研究

文章编号222主从式遥微操作机器人力反馈控制系统的研究Ξ孙立宁荣伟彬刘品宽蔡鹤皋哈尔滨工业大学机器人研究所哈尔滨摘要本文研制出遥微操作机器人力反馈控制系统建立了比例缩放条件下系统的二端口网络模型并对控制系统的稳定性进行了分析昀后进行了实验研究实验结果表明在与物体接触时操作者能够获得持续而稳定的接触力感觉为进一步的微操作实验研究奠定了基础关键词遥微操作机器人双向力反馈比例缩放二端口网络模型中图分类号×°文献标识码ΡΕΣΕΑΡΧΗΟΝΒΙΛΑΤΕΡΑΛΦΟΡΧΕΦΕΕΔΒΑΧΚΧΟΝΤΡΟΛΣΨΣΤΕΜΟΦΤΕΛΕ−ΜΙΧΡΟΜΑΝΙΠΥΛΑΤΙΝΓΡΟΒΟΤ≥2•2°2∏≤2ΡοβοτΡεσεαρχηΙνστιτυτεΗαρβινΙνστιτυτεοφΤεχηνολογψΗαρβινΑβστραχτ2∏√×2∏∞¬∏√√2∏×∏∏∏¬Κεψωορδσ2∏21引言Ιντροδυχτιον随着微纳米技术的迅猛发展操作对象越来越小在以下的微操作日益增多迫切要求研制能够完成微观精细作业的微操作机器人系统≈微操作机器人具有微纳米级的操作精度和分辨率在微型机械零件的装配!微机电系统∞≥的组装!大规模集成电路修补!细胞操作细胞的融合!分离!切割等基因工程基因注入!重组!转移等!显微外科手术血管的缝合!脑外科手术等!扫描显微镜≥×!≥°等!光学精密工程光纤对接!光学调焦等等领域具有广阔的应用前景由于操作对象很小构造薄弱因而要准确地完成一些复杂的微操作而又不损坏操作物体除了显微视觉及监控外机器人需要根据操作过程中的接触力信息来调整操作过程而这样的全自主式智能机器人技术还不成熟因此许多复杂精确的微操作还需要人的参与采用遥控作业方式通过遥微操作操作者充分利用所获得的视觉!比例放大的微力觉信息控制微操作机器人用宏观上的运动来实现比例缩小的微动定位通过比例缩放条件下的双向力反馈控制准确完成微观环境下的精细操作比例缩放条件下双向力反馈控制是遥微操作的关键技术之一许多学者在这方面进行了研究日本的≠等人定义了宏微遥操作的理想性能并讨论了实现理想性能的控制策略≈等人提出了比例缩放条件下的阻抗控制方法并进行了实验研究≈∏等人对双向力反馈控制系统的二端口网络建模!稳定性作了大量的工作取得了有价值的研究成果≈∗国内东南大学在双向力反馈控制系统的稳定性!透明性!理想性能的实现等方面作了许多工作≈此外中科院合肥智能所!清华大学!哈尔滨工业大学于年以第卷第期年月机器人ΡΟΒΟΤ∂∏Ξ基金项目国防基础科研项目∀收稿日期来陆续开展了力反馈控制的基础和应用研究本文将介绍作者研制的基于微装配的遥微操作机器人力反馈控制系统建立比例缩放条件下系统的二端口网络模型并对稳定性进行分析昀后进行实验研究2遥微操作机器人双向力反馈控制系统的建立Εσταβλισημεντοφτηετελε−μιχρομανι−πυλατινγροβοτβιλατεραλφορχεφεεδβαχκχοντρολσψστεμ21遥微操作机器人系统总体构成作者研制的基于微装配的遥微操作机器人实验系统包括主操纵手及其控制系统!从动微操作机器人本体两部分如图所示微操作机器人本体采用左右手配置!宏微结合的结构包括宏动工作台微操作手!微夹持器!视觉监控和力感知系统宏动工作台如图所示宏动部分有六个自由度左手两个自由度右手有四个自由度运动由步进电机驱动直线和旋转模块来实现单个直线模块运动范围为分辨率为Λ单个旋转运动模块的运动范围为β分辨率为β组合后受机构限制旋转运动范围为β绕÷轴β绕≠轴β绕Ζ轴宏动部分实现大范围调整运动完成操作物体的搜索!接近!粗定位图遥微操作机器人系统总体组成ƒ∏∏2∏微操作手如图所示微操作手在主手的控制下完成精确定位在设计上参考了用于扫描隧道显微镜的三维压电扫描器的工作原理采用智能材料2压电陶瓷管为机构骨架同时也作为驱动器表面集成应变式微位移传感器进行位置检测实现了机构!驱动!检测一体化具有体积小结构紧凑的特点由于压电陶瓷器件具有分辨率高!不发热!频响高等特点因而所构成的微操作手能够满足微动要求微操作手有三个平动自由度由两段压电陶瓷管组成一段为Ζ轴另一段为Ξ!Ψ轴Ζ轴运动是通过在压电陶瓷管器件内外表面施加电压时它将沿轴向伸长而实现的将压电陶瓷管的外表面电极按β间隔平均分成份当在相对的两个电极上施加大小相等!方向相反的电压时压电陶瓷管将在该方向产生弯曲变形从而形成Ξ!Ψ轴的运动经测试微操作手在Ξ!Ψ方向上的昀大输出位移为?Λ分辨率轴的昀大输出位移为Λ分辨率图微操作手的结构ƒ≥∏∏∏微夹持器如图所示微夹持器固定在微操作手上采用压电陶瓷驱动在机构上采用杠杆和三角放大原理进行微位移放大其外形尺寸为≅≅张合量为Λ显微视觉系统如图由≥2型光学显微镜≤≤⁄摄像头和监视器组成视觉监控系统微操第卷第期孙立宁等主从式遥微操作机器人力反馈控制系统的研究作现场由显微镜放大经≤≤⁄在监视器上显示出来力感知系统如图所示通过在微操作作业台上安装三自由度微力传感器进行微力测量测力范围为?分辨率为ƒ≥主操纵手如图所示主手在结构上采用完全解耦缩放仪式具有三个平动自由度由一个三联空间平行四边形机构组成对于每个平行四边形来说与驱动机构相连的一点沿某一方向运动时在机构上保证末端点也沿着相同方向或相反方向作一定放大倍数的平动Ξ!Ψ!Ζ方向上的行程都是分辨率Λ经机构放大后末端点的工作空间为一个≅≅的长方体三个运动方向上无运动耦合主手驱动采用直流力矩电机直接驱动光电码盘进行位置检测主手末端安装三维腕力传感器测力范围?分辨率ƒ≥22力反馈控制系统的建立系统主从手都安装力传感器构成了力反馈伺服型遥微操作系统力反馈控制系统框图如图所示微操作时操作者操纵主操纵手控制微操作手腕力传感器接受操作者施加的力与微力传感器反馈回来的经放大的力信号相减力差经力控制器后产生主手力矩电机的控制信号主手运动后光电码盘检测位移信息缩小后与从手微位移传感器反馈回来的从手位移相减位差经ƒ∏2°位置控制器产生微动从手的控制信号当接触到物体时从手力传感器返回抗力信息使主手驱动信号减弱因而操作者感受到操作力同时主手位移减小减弱了微动从手的驱动信号使微操作手末端位移减小操作者通过加力减力来控制操作过程完成微操作图遥微操作双向力反馈控制系统原理框图ƒ≥2∏3比例缩放条件下双向力反馈系统的动力学模型Δψναμιχσμοδελοφτηεσχαλεδβι−λατεραλφορχεφεεδβαχκσψστεμ一般情况下遥微操作双向力反馈系统由操作者!主操纵手!通讯环节!从动微操作手!微观环境组成各个环节动力学模型为对于操作者ΦοΦμΜοσΞμΔοσΞμΚοΞμ其中Φο为操作者肌力Φμ为主手与操作者之间作用力Ξμ为操作者位置矢量Μο为操作者质量矩阵Δο为操作者阻尼矩阵Κο为操作者刚度矩阵对于主操作手ΣμΦμΜμσΞμΔμσΞμΣμΚφΦμΚ3φΦχσ其中Σμ为电机驱动力Μμ为主手质量矩阵Δμ为主手阻尼矩阵Κ3φ为微力放大系数矩阵Φχσ为传输线反馈回来的微力信号Κφ为力增益矩阵对于微操作手ΣσΦεΜσσΞσΔσσΞσΣσΚπΚ3πΞχμΞχσ其中Σσ为微操作手的驱动力Φε为微操作手与环境之间作用力Ξσ为微操作手的位置矢量Μσ为微操作手的质量矩阵Δσ为微操作手的阻尼矩阵Κπ为位置增益矩阵Κ3π为位移缩小系数矩阵Ξχμ为经传输线反馈回来的位置矢量对于环境ΦεΜεσΞεΔεσΞεΚεΞε机器人年月ΞεΞσ其中Ξε为环境位置矢量Με为环境质量矩阵Δε为环境阻尼矩阵Κε为环境刚度矩阵对于传输线假定时间延迟为一常数Τ则有ΞχμΞμεΣΤΦχσΦσεΣΤ4比例缩放条件下二端口网络模型的建立Εσταβλισημεντοφτηεσχαλεδτωο−πορτνετωορκμοδελ为了讨论方便将机械系统转化为相似的电系统来研究选择电压ς!Τ和电流Ι为力和速度的对应相似量式)可以转化为ςοςμΜοσΔοΚοÙσΙμΖοΙμΤμςμΜμσΔμΙμΖμΙμΤμΚφςμΚ3φςχσΤσςεΜσσΔσΙσΖσΙσΤσΚπΚ3πΙχμΙσςεΜεσΔεΚεÙσΙεΖεΙεΙεΙσΙχμΙμεΣΤςχσςσεΣΤ其中Ζο为操作者阻抗矩阵Ζμ为主手阻抗矩阵Ζσ为微操作手阻抗矩阵Ζε为环境阻抗矩阵对于实际系统操作者与环境是不确定的主从手及传输线是固定的系统可看作如图所示的二端口网络图双向力反馈系统二端口网络模型ƒ×2图所示的四个变量中将Ιμ!ςε看作是独立的ςμ!Ιε则可以表示为ςμσησΙμησςεΙεσησΙμησςε式中参数定义如下ησςμσΙμσϖεησςμσςεσΙμησΙεσΙμσϖεησΙεσςεσΙμ写成η参数矩阵形式为ηησησησησΖιν反向力增益速度增益ÙΖουτ根据式)可得到ηΖμΚφΜμσΔμΚφηΚφΚ3φΚφεΣΤηΚπΚ3πΖσΚπεΣΤΚπΚ3πΜσσΔσΚπεΣΤηΚπΖσΚπΜσσΔσ即ηΜμσΔμΚφΚφΚ3φΚφεΣΤΚπΚ3πΜσσΔσΚπΜσσΔσΚπ若不考虑时延在实时!近地的情况下η矩阵简第卷第期孙立宁等主从式遥微操作机器人力反馈控制系统的研究化为ηΜμσΔμΚφΚφΚ3φΚφΚπΚ3πΜσσΔσΚπΜσσΔσΚπ在理想情况下要实现准确的缩放位置和力跟踪η矩阵应满足ηιδεαλΚ3φΛ3π通过以上分析为了获得系统的理想性能需要对式中的Κπ!Κφ!Κ3π!Κ3φ进行合理配置使得η尽量接近ηιδεαλ同时η参数是一个复函数其幅频特性和相频特性随频率而改变选择不同的工作频率范围会得到不同的η参数可通过动态改进实际系统控制规律来接近理想系统从而实现力和位置的准确跟踪控制5稳定性分析Σταβιλιτψαναλψσισ根据两端口网络的无源性原理以网络无源性为基础对系统进行稳定性分析一般来说环境物体是无源的而人严格来讲是有源的但是当人的输入肌力与主从系统的状态独立的话也就是操作者不会产生引起系统不稳定的肌力则可以把操作者看作是无源的因此只要证明主从系统本身是无源的整个系统就是无源的也就是稳定的≈对于线性时不变Ν端口网络只要它的η矩阵是正实矩阵网络就是无源的可以证明≈只要满足下列个条件η矩阵是正实矩阵∀当σ是实数时ησ的所有元素都是实数ησ每个元素在开右半复频平面内无极点ησ的任意元素若ϕΞ在轴上存在极点则是单阶极点在这些极点处算得的留数矩阵Κ是埃尔米特型且为非负定矩阵ησ的埃尔米特部分ηησ如果在ϕΞ点处有定义它是非负定的∀考察本系统显然本系统的η矩阵满足条件!!只要再满足条件即可ησ的埃尔米特矩阵为ηησ≈ηση3σ式中η3σ为ησ的共轭转置矩阵∀将式和σϕΞ代入式得ηηϕΞΔμΚφΒΧΜσσΑΒΧΜσσΑΑΜσΞΑ式中ΑΔσΚπΒΚφΚ3φÙΚφΧΚπΚ3π由条件若η3ϕΞ为非负定需要满足条件ΑΔμΚφ≈ΒΜσΞΑΒΧ∴设计控制器时合理选取Κπ!Κφ!Κ3π!Κ3φ在一定频率下满足式即可保证主从操作器无源性从而保证整个系统的稳定性∀6实验研究Εξπεριμεντρεσεαρχη实验时控制微夹持器夹起直径为的轴用打印针代替首先借助于视觉监控控制宏动工作台运动使打印针尖接近装有微力传感器的微操作工作台工作台上安装硬物当针尖与硬物间的距离在水平和垂直方向上都达到微操作手的运动范围内时遥控微操作手在不同方向上与硬物接触记录主操纵手和微操纵手的位置响应以及主从力传感器输出图!图!图!图分别为Ξ!Ζ方向的位置和接触力和位置响应曲线主从力比为主从位比为从实验结果可以看出系统可实现位置和力跟踪在接触之前微操作手能够较好地跟踪主手的运动接触后操作者能够获得持续而稳定的操作力感觉但由于受机构设计的影响主手的刚度略差力感知和力保真度受到一定影响图Ξ向主从手力响应曲线ƒ√¬÷机器人年月图Ξ向主从手位置响应曲线ƒ√¬÷图Ζ向主从手力响应曲线ƒ√¬图Ζ向主从手位置响应曲线ƒ√¬7结论Χονχλυσιον建立了面向微装配的遥微操作机器人双向力反馈控制系统针对本系统推导了比例缩放条件下的双向力反馈控制系统的二端口网络模型并对稳定性进行了分析昀后进行了接触力实验研究实验结果表明所建立的遥微操作力反馈控制系统可实现比例缩放条