CN112677168B - 一种空间机械臂用力反馈手柄的参数控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种空间机械臂用力反馈手柄的参数控制方法，操作手柄末端，通过安装在手柄各关节处的编码器检测出关节角的位移量；根据关节角解算出手柄末端的姿态角；构建手柄反馈力的计算模型，根据计算模型计算手柄输出的反馈力，求解手柄反馈力控制参数范围，设定初始值；进入训练模式，根据不同人员对反馈力的体验，制定反馈力控制参数，并存储参数，制定个人配置；执行在轨操作任务时，进入参数配置页面，切换加载个人配置，完成手柄反馈力的用户定制；本发明能够满足操作者在执行任务时对力觉感知的个性化需求，从而更好的服务于空间机械臂的应用。

Description

一种空间机械臂用力反馈手柄的参数控制方法

技术领域

本发明属于空间机械臂的技术领域，具体涉及一种空间机械臂用力反馈手柄的参数控制方法。

背景技术

随着我国空间站建设的不断深入，航天员可以通过操作机械臂来完成空间站舱段的捕获对接与转位、舱外设备辅助更换、自身出舱活动、平台载荷照料等工作。其复杂的操作流程及空间的特殊环境要求操作机械臂的手柄具有较好的用户体验，以便更好的辅助航天员完成机械臂任务。

力反馈手柄作为一种力觉感知的交互设备，可完成操作者操作动作的信息采集，实现对被操作对象的控制，同时将其操作对象的状态以力的形式反馈给操作者，实现操作者对机械臂物理状态的感知。

目前，研制成功并投入使用的空间机械臂有加拿大臂SSRMS(Space StationRemote Manipulator)、欧洲臂ERA(European Robotic Arm)、以及日本的实验舱臂JEMRMS(Japanese Experiment Module Remote Manipulator System)。其操作控制终端为一对安装在舱内控制台上的三自由度手柄，均不具备力反馈功能，不存在对力反馈的调节。已经应用在地面的力觉交互设备，大多应用在极端环境下的遥操作及虚拟现实领域，其在视觉、听觉的基础上增加力觉信息反馈的方式，提高了任务执行的效率、精度和安全性。但已知的力觉交互设备中，其反馈力的控制策略单一，反馈力的大小难以调节且不对用户开放，针对不同用户使用需求的个性化差异，不能按照用户的期望进行灵活的调节，用户体验不佳。

因此，针对空间机械臂的操作控制，为更好的符合人机工效学设计及航天员的用户需求，提出了一种空间机械臂用力反馈手柄的参数控制方法。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种空间机械臂用力反馈手柄的参数控制方法，能够满足操作者在执行任务时对力觉感知的个性化需求，从而更好的服务于空间机械臂的应用。

实现本发明的技术方案如下：

一种空间机械臂用力反馈手柄的参数控制方法，包括以下步骤：

步骤一、操作手柄末端，通过安装在手柄各关节处的编码器检测出关节角的位移量；

步骤二、根据关节角解算出手柄末端的姿态角；

步骤三、构建手柄反馈力的计算模型，根据计算模型计算手柄输出的反馈力，求解手柄反馈力控制参数范围，设定初始值；

步骤四、进入训练模式，根据不同人员对反馈力的体验，制定反馈力控制参数，并存储参数，制定个人配置；

步骤五、执行在轨操作任务时，进入参数配置页面，切换加载个人配置，完成手柄反馈力的用户定制。

进一步地，编码器安装于手柄的关节处，通过采集编码器的原始信号，计算各个关节的关节角，为手柄的反馈力计算提供输入参数。

进一步地，通过求解手柄机构的雅克比逆矩阵，计算手柄末端的姿态角。

进一步地，手柄上电后的初始模式下，其手柄反馈力的计算模型采用回复力与阻尼力叠加计算；其中，手柄的回复力与手柄末端偏离零位的夹角成正比，方向指向手柄零位；手柄的阻尼力与手柄关节移动的角速度成正比，方向与运动方向相反；当手柄执行精细操作或快接近目标物体或障碍物时，手柄通过接收解析机械臂的运动状态来调节手柄的状态系数，通过增加手柄有益阻力的形式来减弱人手在操作时的抖动，提高手柄执行任务的精确度，或对机械臂末端进行力觉再现；当操作手柄控制机械臂到达典型位置时，手柄输出振动提示信号，警示操作者，期间将警示力矩叠加到手柄的反馈力中。

进一步地，在执行真实任务前或者地面模拟训练过程中，可采用真实力反馈手柄与虚拟机械臂结合的方式，通过操作手柄驱动机械臂模型完成虚拟机械臂的位置控制并模拟在轨操作任务；根据用户体验调节反馈力和警示力的大小，存储参数，完成用户个人参数的定制。

进一步地，力反馈手柄在轨运行时，通过前期地面训练结果，结合个人手部力量大小及感知习惯，完成个人的参数定制，实现手柄反馈力的定制；因空间环境变化及任务需要需调节反馈力和警示力时，通过进入手柄反馈力的参数配置页面可完成手柄反馈力的参数配置。

进一步地，手柄力反馈的参数调节页面，包括自动调节和手动调节；其中，自动调节无需参数输入，通过后台程序解算自动完成手柄反馈力的调节；手动调节可开放力反馈的配置参数，为操作者提供更加细致的力反馈调节体验，以期达到操作者的最用用户体验。

进一步地，手柄反馈力的参数也可通过地面注入指令的方式进行更新及力反馈的调节。

有益效果：

(1)本发明可满足操作者因自身手部力量及感知习惯的不同而进行定制化更改，极大的满足了不同人员的使用需求。

(2)手柄反馈力和警示力的个性化定制，较好的结合了航天员在轨执行任务时，人员固定单一这一情况，将其个人感知习惯动态的融入到手柄的设计中，较好的满足了航天员的力觉交互体验，提高其操作机械臂执行任务的效率。

(3)本发明的手柄力反馈参数控制方法，具备自动调节和手动调节两种模式，方便用户选择。同时，手动调节模式下具备记录存储参数功能，用户即可切换到自己存储的最佳力反馈配置参数下，也可根据实际情况进行现场精细调节；也可将自动调节和手动调节结合，将现场自动调节的参数通过载入方式导入到手动模式的系数表中，在该系数的基础上进行微调，以实现个人配置的精细化定制，操作方面灵活。

(4)本发明的手柄力反馈参数控制方法，将反馈力控制策略直观的反馈给用户，让用户直接的参与到手柄反馈力的设计中，用户可根据自身特点和使用场所，一对一的完成手柄力反馈的调节，通用性强。

(5)手柄的力反馈调节参数存储在Flash中，掉电不丢失，且配置的参数再次载入时按照三取二的方式提取，可靠性高。

附图说明

图1为本发明的控制流程图；

图2为本发明的手柄末端姿态角获取流程图；

图3为本发明的回复力求解流程图；

图4为本发明的阻尼力求解流程图；

图5为本发明的手柄末端相对零位的空间位置图；

图6为本发明的参数配置页面。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

如图1所示，本发明的一种空间机械臂用力反馈手柄的参数控制方法，其实施过程如下：操作手柄末端，通过安装在手柄各关节处的编码器检测出关节角的位移量；根据关节角解算出手柄末端的姿态角；构建手柄反馈力的计算模型，根据模型计算手柄输出的反馈力，求解手柄反馈力控制参数范围，设定初始值；进入训练模式，根据不同人员对反馈力的需求，定制反馈力控制参数，并存储参数，制定个人模式；执行在轨操作任务时，进入参数配置页面，加载个人参数。

如图2所示。手柄末端的姿态角通过迭代法求得。S₀为当前编码器测得的关节角，S_i为第i步测得的关节角值。在每一次的迭代中，对手柄机构的雅克比矩阵进行求逆，进而计算当前手柄末端姿态角的微小位移ΔR，由此获得关节角移动后对应的新的姿态角大小R_i+1。其迭代终止的条件为上一迭代步骤的手柄末端姿态角与当前迭代步骤的手柄末端姿态角之差小于设定阈值或者迭代步数超过设定的最大值。当满足迭代终止条件时，即可获得手柄末端的姿态角。

正常情况下手柄末端的反馈力由手柄的回复力T_回与阻尼力T_阻构成。其回复力的计算力的求解流程如图3所示。通过图2获得手柄末端的姿态角后，求得手柄实际末端姿态角与零位姿态之间的夹角(α_x，α_y，α_z)，如图4所示。其中，ox₀y₀z₀为手柄零位姿态坐标系，oxyz为手柄末端的实时姿态动坐标系。设x轴与x₀轴之间的回复力矩为T_x，y轴与y₀轴之间的回复力矩为T_y，z轴与z₀轴之间的回复力矩为T_z，三个轴向对应的回复力调节系数为k_x、k_y、k_z。则手柄回复力的合力矩则是三个方向的力矩k_xT_x、k_yT_y、k_zT_z的矢量和。手柄末端的阻尼力与关节的角速度大小成正比，方向与运动方向相反。如图5所示，通过采集t时刻的关节角θ_t及t-1时刻的关节角θ_t-1，再除以采样时间间隔即可获得当前关节角的角速度ω。设手柄末端的阻尼系数为B，则手柄末端对应的阻尼力为Bω。

当通过手柄操作机械臂时，执行精细操作或快接近目标物体时，通过增加有益阻力来减弱人手在操作时的抖动，此时手柄通过接收解析机械臂的运动状态来调节状态系数A(A≥1)。

当通过手柄操作机械臂时，机械臂捕获到位或运动到位时，可通过警示力来及时告知操作者。警示力采用正选波的方式叠加到手柄反馈力中。具体为Csin2πft，其中C作为警示力调节系数，可调节警示力的大小，f作为手柄末端的抖动频率，人手一般较易接受的频率范围为10Hz～100Hz，其频率大小可根据感知状态进行定义。

手柄的反馈力在实际调试中需验证其回复力调节系数及阻尼力调节系数。当回复力调节系数过大时引起回复力过大，手柄易因回中速度过大，越过零位引起振荡，需要引入阻尼力并适应性调节阻尼力系数，以此来减少手柄来回振荡的现象。当回复力调节系数过小时，会造成手柄在回到零位附近无力，从而影响回零，引起较大回零误差。综上，通过手柄操作的模拟训练，获取手柄反馈力调节中回复力调节系数与阻尼力调节系数的动态范围与参考组合，同时结合任务需要调节状态系数A及警示力系数C，从而带来手柄操作的最佳用户体验。

如图6所示。为手柄力反馈的参数调节页面，包括自动调节和手动调节。其中，自动调节无需参数输入，通过后台程序解算自动完成手柄反馈力的调节。手动调节由回复力系数K、阻尼系数B、状态系数A及警示力系数C构成，且每个方向可分别调节。为防止误操作或异常数据的输入，每个参数的输入都对其进行边界约束。存储系数可根据个人使用习惯(舒适度)将目前的系数配置进行命名存储，方便下次使用时直接通过载入系数按键调取存储的系数进行填充配置。也可将自动调节与手动调节结合使用，向通过自动调节进行反馈力的调节，之后载入当前系数，然后手动调节各个系数。页面的所有指令动作都采用二次确认页面进行确认。

力反馈手柄反馈力的参数也可通过地面注入指令的方式进行更新调节。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种空间机械臂用力反馈手柄的参数控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、操作手柄末端，通过安装在手柄各关节处的编码器检测出关节角的位移量；

步骤二、根据关节角解算出手柄末端的姿态角；

步骤三、构建手柄反馈力的计算模型，根据计算模型计算手柄输出的反馈力，求解手柄反馈力控制参数范围，设定初始值；手柄上电后的初始模式下，其手柄反馈力的计算模型采用回复力与阻尼力叠加计算；其中，手柄的回复力与手柄末端偏离零位的夹角成正比，方向指向手柄零位；手柄的阻尼力与手柄关节移动的角速度成正比，方向与运动方向相反；当手柄执行精细操作或快接近目标物体或障碍物时，手柄通过接收解析机械臂的运动状态来调节手柄的状态系数，通过增加手柄有益阻力的形式来减弱人手在操作时的抖动，提高手柄执行任务的精确度，或对机械臂末端进行力觉再现；当操作手柄控制机械臂到达典型位置时，手柄输出振动提示信号，警示操作者，期间将警示力矩叠加到手柄的反馈力中；警示力为Csin2πft，其中C为警示力调节系数，f为手柄末端的抖动频率；

手柄末端的反馈力由手柄的回复力T_回与阻尼力T_阻构成，获得手柄末端的姿态角后，求得手柄实际末端姿态角与零位姿态之间的夹角(α_x，α_y，α_z)，其中，ox₀y₀z₀为手柄零位姿态坐标系，oxyz为手柄末端的实时姿态动坐标系；设x轴与x₀轴之间的回复力矩为T_x，y轴与y₀轴之间的回复力矩为T_y，z轴与z₀轴之间的回复力矩为T_z，三个轴向对应的回复力调节系数为k_x、k_y、k_z；则手柄回复力的合力矩则是三个方向的力矩k_xT_x、k_yT_y、k_zT_z的矢量和；手柄末端的阻尼力与关节的角速度大小成正比，方向与运动方向相反；通过采集t时刻的关节角θ_t及t-1时刻的关节角θ_t-1，再除以采样时间间隔即可获得当前关节角的角速度ω；设手柄末端的阻尼系数为B，则手柄末端对应的阻尼力为Bω；

手柄的反馈力在实际调试中需验证其回复力调节系数及阻尼力调节系数；当回复力调节系数过大时引起回复力过大，需要引入阻尼力并适应性调节阻尼力系数，以此来减少手柄来回振荡的现象；当回复力调节系数过小时，会造成手柄在回到零位附近无力，从而影响回零，引起较大回零误差；综上，通过手柄操作的模拟训练，获取手柄反馈力调节中回复力调节系数与阻尼力调节系数的动态范围与参考组合，同时结合任务需要调节状态系数A及警示力系数C，从而带来手柄操作的最佳用户体验；

步骤四、进入训练模式，根据不同人员对反馈力的体验，制定反馈力控制参数，并存储参数，制定个人配置；手柄力反馈的参数调节页面，包括自动调节和手动调节；其中，自动调节无需参数输入，通过后台程序解算自动完成手柄反馈力的调节；手动调节可开放力反馈的配置参数，为操作者提供更加细致的力反馈调节体验，以期达到操作者的最佳用户体验；

步骤五、执行在轨操作任务时，进入参数配置页面，切换加载个人配置，完成手柄反馈力的用户定制。

2.如权利要求1所述的一种空间机械臂用力反馈手柄的参数控制方法，其特征在于，编码器安装于手柄的关节处，通过采集编码器的原始信号，计算各个关节的关节角，为手柄的反馈力计算提供输入参数。

3.如权利要求1所述的一种空间机械臂用力反馈手柄的参数控制方法，其特征在于，通过求解手柄机构的雅克比逆矩阵，计算手柄末端的姿态角。

4.如权利要求1所述的一种空间机械臂用力反馈手柄的参数控制方法，其特征在于，在执行真实任务前或者地面模拟训练过程中，可采用真实力反馈手柄与虚拟机械臂结合的方式，通过操作手柄驱动机械臂模型完成虚拟机械臂的位置控制并模拟在轨操作任务；根据用户体验调节反馈力和警示力的大小，存储参数，完成用户个人参数的定制。

5.如权利要求1所述的一种空间机械臂用力反馈手柄的参数控制方法，其特征在于，力反馈手柄在轨运行时，通过前期地面训练结果，结合个人手部力量大小及感知习惯，完成个人的参数定制，实现手柄反馈力的定制；因空间环境变化及任务需要需调节反馈力和警示力时，通过进入手柄反馈力的参数配置页面可完成手柄反馈力的参数配置。

6.如权利要求1所述的一种空间机械臂用力反馈手柄的参数控制方法，其特征在于，手柄反馈力的参数也可通过地面注入指令的方式进行更新及力反馈的调节。

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