六自由度力反馈双向伺服控制策略研究

【摘要】： 具有力觉临场感的主-从双向伺服控制技术可为操作者提供身临其境的操作感受,在抢险、军事、深海及宇宙作业,超大型、微/纳米机械的操纵,以及微创医疗等众多领域中具有重要的用途。力反馈手控器是双向伺服控制系统中的关键设备,通过操作手控器可以对远端从机械手的工作进行控制,并获得从机械手与环境的相互作用力信息,实现对远端从机器人的控制,帮助操作者有效完成远程操作任务。不同的控制策略会使操作者获得不同的操作感受。因此,研制具有力觉反馈的手控器,和研究力反馈双向伺服控制策略,在主-从操作领域里有非常重要的理论与现实意义。 现有的力觉反馈手控器中普遍存在通用性差、刚性不足以及能够提供的力感觉不够充分等问题。在力反馈控制方法方面,存在“主-从随动性差”、“在从机械手抓取刚性物体时主机械手上所存在的反馈力冲击过大”的问题。为克服现有力反馈手控器所存在的不足,解决现有控制方法所存在的弊端,本文结合国家自然科学基金项目“遥操纵6自由度液压并联机器人的力觉双向伺服控制”,基于Stewart并联机构在国内首次设计了高刚性、六自由度力反馈手控器,并提出直驱式位差反馈型双向伺服控制策略,分析了主-从操作系统的稳定性和透明性;基于自主研制的手控器建立了国内第一个具有六自由度力反馈的同构式主-从操作试验系统,进行了从机械手自由运动和约束运动主-从操作试验。结果表明,自主研制的六自由度力反馈手控器具有良好的机械性能和力学特性;采用直驱式位差反馈型双向伺服控制策略,改善了现有双向伺服控制方法中普遍存在的“主-从随动性差”及“在从机械手抓取刚性物体时主机械手上所存在的反馈力冲击过大”等问题,在实现对从机械手控制的同时,获得较为理想的力觉临场感效果。