基于比例調壓閥的氣動力覺系統開發

， ， ，

(常州大學 機械工程學院， 江蘇 常州 213016)

引言

在沒有臨場感的主從式機器手操作系統中,機器手嚴格按照操作者指令運動，機器手的實際位置與指令位置的誤差會帶來不必要的較大的接觸力或力矩，因此這種系統很難保證機器手工作的可靠性和操作對象的安全[1]。臨場感技術通過各種傳感器將從機器手與環境的交互信息實時反饋到本地操作者處，生成和從手工作環境一致的虛擬環境映射，從而實現對機器手帶感覺的控制[2]，大大提高作業效率。在理想情況下,這些感覺包括人的各種感官信息,如視覺、聽覺、觸覺、味覺、力覺等。臨場感系統因其面對的任務不同,所需現場的信息有所不同。其中,力覺是最重要的信息[3]。

力覺反饋系統的主要功能是利用傳感器測量操作者的運動和位置，將數據實時、準確地輸入主控計算機，并且將執行機構與環境的力感反饋給操作者[4]。力反饋裝置主要有力反饋數據手套、 手控器、 操縱桿等。Immersion公司生產的已經商品化的Cyber Grasp[5]，以電機驅動力反饋裝置，每個手指獲得最大12 N 的反饋力，缺點是摩擦力和重量較大，操作者易疲勞。美國Rutger大學研制的Rutgers Master Ⅱ-New力反饋數據手套[6]，因其力反饋裝置安裝在手掌上,所以操作時手掌不能夠完全握緊。東南大學承擔了國家863計劃有關手控器研究的課題，研制了HC01型手控器[7]，采用直流力矩電機作為驅動裝置產生力矩反饋，具有工作空間大、精度高的特點。吉林大學研制的基于Stewart平臺的6自由度力反饋操縱手柄[8]，由電液伺服控制液壓驅動系統實現力覺反饋，具有剛度大、承載能力強的特點，但其力矩求解計算復雜。

總的來說，以電機作為驅動輸出力/重量比較小，小型力覺裝置無法提供較大反饋力。液壓系統受密封性與油溫變化影響較大，整體要求較高。針對夾鉗式兩指主從機器手力覺臨場感的問題，本研究提出一種新型氣動結構，基于電氣比例調壓閥搭建了力覺系統試驗平臺，分析了系統動態特性。

1 氣動力覺系統結構設計

1.1 系統機械氣動結構設計

如圖1所示，主手主體結構以手掌支撐板為基礎，旋轉氣缸定子與手掌支撐板固定，轉子與手掌固定。操作者拉動指環使手掌繞固定軸做平面回轉運動，轉子與絕對編碼器固定以獲取其角度信息。壓縮氣體經管接頭通入旋轉氣缸內腔，外腔與外界大氣連通，當內外兩腔產生壓力差，手掌帶動指環對操作者反饋一定抗力。手掌尺寸依據人手設計，總體結構緊湊、輕巧。主手主體材料選用鋁合金，具有良好的機械強度。

圖1 力覺系統主手機械氣動結構圖

1.2 力矩傳感器設計

應變式電阻傳感器體積小，性能穩定，靈敏度高，精度一般在3%FS以內，廣泛應用于應力測量領域[9]。其基本原理是利用電阻應變效應△R/R=ε·K，其中，K為靈敏度系數，ε為應變片軸向應變。

圖2中，內緊定螺釘固定力矩傳感器與轉子，外緊定螺釘固定力矩傳感器與定子。將一對電阻應變片對稱黏貼如圖2所示懸臂兩側組成差動半橋，以測量懸臂梁應變量，電橋輸出電壓相對懸臂梁不受力時的變化量：

△U=U0·K·ε/2

(1)

圖2 力矩傳感器結構圖

懸臂梁受力彎曲時表層正應力σ=M/W，又因為σ=E·ε，可知ε=M/W·E，帶入式(1)，得：

△U=U0·K·M/2W·E

(2)

由式(2)可知△U與M成線性關系。其中，M為懸臂梁所受彎矩，U0為電橋供電電壓，W為懸臂梁抗彎截面系數，E為材料彈性模量。W=8×10-9m3，K=2.08，U0=5 V，E=70 GPa均為已知量。

1.3 位置傳感器選型與安裝

目前，位置傳感器通常使用光電編碼器，光電編碼器根據其輸出代碼的不同分絕對式與增量式兩大類。絕對式光電編碼器具有精度高、抗干擾能強、掉電記憶功能等特點，因此，廣泛應用于機器人、精密機床等對精度要求比較高的場合。

圖3描述了絕對編碼器的安裝方式。轉子與絕對編碼器同軸，內徑與之配作。由于編碼器軸已做削邊處理，方便用緊定螺釘與轉子固定。編碼器固定板與手掌支撐板螺紋連接。

圖3 位置傳感器安裝結構圖

理論上，編碼器精度越高越好。考慮到編碼器與轉子直接用緊定螺釘固定，并沒有傳動裝置，即傳動比為1。HN3806A5V4096型絕對編碼器精度為0.088°，遠大于人手對角度的識別。此外5 V的VCC與控制電路電平兼容，無需電平轉換，簡化了控制電路設計。

2 氣動力覺系統控制方式

2.1 主從機器手典型控制原理

文獻[10,11]對主從機器手雙向控制策略進行了研究，公認較好的算法為力反射伺服型雙向伺服控制策略。主手是力/力矩伺服控制系統，從手是位置伺服控制系統。如圖4所示，Fo為操作者施加給主手的作用力，Fe為從手受到被操作對象的作用力，Fm為主手所受的反饋力，Fs為從手的驅動力，Mm、Ms為主手、從手力矩傳感器采集的力矩，Xm、Xs為主手、從手的位移。

圖4 力反射伺服度型控制原理圖

2.2 主手PID控制器控制原理

由圖4的分析可知主手控制器主要實現主、從手力矩信號的采集與主手執行器的驅動。但實際中，主從機器手進行遙操作時，從手力矩信號難以由主手控制器直接采集，同理，主手的位移信號也難以由從手控制器直接采集。主、從機器手遙操作通常需要中間通訊環節來建立主、從手之間的聯系。

所以，本研究設計的主手PID控制器控制原理如圖5所示，控制器采集主手位移傳感器的位移信號Xm并發送至上位機，采集主手力矩傳感器的力矩信號Mm并從上位機接收從手反饋的力矩信號Ms，驅動主手執行器。

圖5 主手PID控制器控制原理圖

2.3 主手PID控制器位置控制

主手控制器即PID控制器由ATmega128單片機及其外圍電路組成。位置控制的作用是獲取主手實時運動姿態傳遞給從手，即對主手絕對編碼器數據的采集與發送。

如圖6所示，絕對編碼器數據采集在40 ms T/C1定時溢出中斷子程序中進行。單片機PC2、PC3口分別與編碼器數線DO相接，PC4為編碼器提供同步模擬時鐘信號CLK。主手旋轉關節位移信號Xm1、Xm2，經串口通訊發送至上位機以進行從手位置控制。

圖6 主手PID控制器位置控制流程圖

2.4 主手PID控制器力矩控制

力矩控制是實現力覺臨場感的關鍵技術，也是氣動力覺系統的核心。如圖7所示，ATmega128單片機上電初始化串口接收程序，串口接收中斷子程序中接收上位機間隔10 ms定時發送的反饋力矩信號Ms，力矩傳感器信號Mm1、Mm2經LM124運放電路接入單片機ADC0、ADC1口。單片機PB4、PB5口輸出相應占空比的PWM波，經過濾波、放大后將電壓信號Um1、Um2送入比例調壓閥信號輸入端。

圖7 主手PID控制器力矩控制流程圖

計算機離散控制PID控制規律為[12]：

式中，k為采樣序號；u(k)為輸出信號；KP、KI、KD分別為比例、積分、微分系數，e(k)為第k次采樣輸入偏差，e(k)=Mm(k)-Ms(k)。ATmega128單片機將反饋力矩目標值Ms與實際采樣值Mm差值進行PID運算，通過調節PWM占空比改變Um大小，從而調節反饋力矩的大小。

3 氣動力覺系統試驗研究

3.1 系統試驗平臺

為了試驗方便，取力覺系統主手上半部分作為研究對象，建立如圖8所示的實驗平臺。氣源由小型空氣壓縮機提供，經比例調壓閥由軟管接入主手內腔。

圖8 力覺反饋系統試驗平臺

電氣比例調壓閥的性能直接影響系統精度與動態特性，實驗選用ITV2050型電氣比例調壓閥。ITV2050型電氣比例調壓閥壓力上限為0.9 MPa，24 V直流供電，輸入端為DC 0～10 V,靈敏度為0.2 kPa，具有高直線度(±1%FS以內)和低遲滯(0.5%FS以內)的特點。

3.2 系統動態特性試驗

以幅值1 N·m、頻率0.25 Hz的方波對主手力覺系統做動態力加載試驗，10 ms定時中斷對力矩傳感器電橋輸出值進行AD采樣，數據以RS232通訊發送至PC。圖9是試驗中加載目標力矩信號和輸出力矩測試值的比較曲線。從圖中看出，動態試驗中測試力矩值能滿足對目標力矩值的跟隨，數據分析可知：主手力矩響應時間不大于80 ms，方波幅值處最大過調量低于6%，穩態處測試力矩仍然存在一定的抖動。

圖9 系統動態特性分析圖

分析其原因如下：

(1)單片機AD采樣與中斷延時、控制電路中積分電路的延時、電氣比例調壓閥的遲滯性造成了響應時間不可避免的增加；

(2)為了改善系統動態特性加快響應時間，可以增加力矩反饋增益系數，但增益系數增加可能加大系統的超調量，因此參數整定時必須加以權衡；

(3)由于試驗時未使用專用夾具固定主手，可以認為人手對交變力矩的反射造成了一定的抖動。

4 結論

開發的氣動力覺系統，其機械氣動結構緊湊，通用性強，適用于夾鉗式主從機器手系統。搭建了試驗平臺并對系統動態特性進行分析，論證了以比例調壓閥和PID控制器為核心的氣動力覺系統的可行性。

參考文獻：

[1] 張祝新，趙丁選，陳鐵華.具有力覺臨場感的主-從機器手雙向控制策略[J].農業機械學報，2008，39(10)：164-168.

[2] 劉寒冰，趙丁選.臨場感遙操作機器人綜述[J].機器人技術與應用，2004，(1)：42-45.

[3] 鄧樂，趙丁選，倪濤，鄭宏宇.基于Stewart平臺的6自由度力反饋手控器[J].農業機械學報，2008，36(7)：118-122.

[4] 崔洋，包鋼，王祖溫.虛擬現實技術中力/觸覺反饋的研究現狀[J].機床與液壓，2008，36(7)：1-4.

[5] Zhou Zhihua，Wan Huagen，Gao Shuming. A Realistic Force Rendering Algorithm for CyberGrasp[C]//Proc of the 9th International Conference on Computer Aided Design and Computer Graphics. Hong Kong，China，2005：409-414.

[6] Bouzit M，Burdea G，Popescu G. The Rutgers Master Ⅱ-New Design Force-Feedback Glove[J]. IEEE/ASME Transactions on Mechatronics，2002，7(2)：256-263.

[7] 崔建偉，黃惟一，宋愛國.HC01型通用遠程遙操作機器人手控器設計[J].機械設計，2004，21(1)：15-17.

[8] 鞏明德，趙丁選.電液伺服控制六自由度力反饋手柄設計[J].液壓與氣動，2009，(9)：6-8.

[9] 肖旸.基于電阻應變式傳感器的測力系統[J].湖北第二師范學院學報，2010，27(2)：92-96.

[10] 陳衛東，席裕庚，蔡鶴皋.力覺臨場感系統的動力學建模及控制策略[J].上海交通大學學報，1999，33(5)：584-587.

[11] 陳鐵華，趙丁選，張祝新.主/從機器人系統設計與雙向伺服控制[J].農業機械學報，1999，33(5)：141-145.

[12] 楊平，黃偉，孫宇貞，李芹，于會群.PID參數整定的MCP標準傳遞函數法公式[J].上海電力學院學報，2014，30(1)：42-46.