约束切换与阻抗显示力反馈设备的稳定性研究x 王

约束切换与阻抗显示力反馈设备的稳定性研究x 王

第26卷第2期2004年3月

文章编号:100220446(2004)0220097205

机器人　ROBOT

Vol.26,No.2

March,2004

约束切换与阻抗显示力反馈设备的稳定性研究

王党校1,张玉茹1,王玉慧1,吕培军2,王勇2

Ξ

(1.北京航空航天大学机器人研究所,北京　100083;　2.北京大学口腔医学院计算机应用中心,北京　100081)

摘　要:研究了虚拟现实力觉交互系统中基于阻抗显示原理的交互设备丧失稳定性的原因以及振荡抑制方

法.通过分析单边约束的特点,将复杂虚拟物体形状的感知和交互过程归结为动态单边约束的接触问题.采用力反馈设备Phantom(R)建立试验平台,通过分析不同类型的单边约束下虚拟力信号的时间和空间分布规律,发现了动态单边约束交互仿真中产生振荡的原因.给出了基于虚拟力信号空间梯度的消除振荡的方法.试验表明,该方法可以有效抑制振荡,实现稳定的力觉交互控制.

关键词:单边约束;阻抗显示;力信号空间梯度;稳定性中图分类号:　TP24　　　　文献标识码:　B

ConstraintSwitchingandStabilityIssuesinImpedance

DisplayForceFeedbackDevice

WANGDang2xiao1,ZHANGYu2ru1,WANGYu2hui1,LU¨Pei2jun2,WANGYong2

(1.RoboticsInstitute,BeijingUniversityofAeronauticsandAstronautics,Beijing100083,China;

puterizedDentistryCenter,StomatologySchool,PekingUniversity,Beijing100081,China)

　Abstract:Thispaperdiscussesstabilityproblemofhapticdeviceinhapticdisplaysystems.Basedontheanalysisofimpedance

displaydevice,ingPhantomRastheexperimentplatform,forcedistributionrelativetotimeandtodevicepositioninseveraltypicalunilateralconstraintsiscompared,paredwithpassivity2basedstabilityanalysismethod,aforcefilteringmethodbasedonforce2positiongradientisproposed.Experimentre2sultsindicatethattheproposedmethodcaneffectivelyeliminatevibrationandstableinteractioncanberealized.

()

　Keywords:unilateralconstraint;impedancedisplay;gradientofforcesignalinspacedomain;stability

1　引言(Introduction)

力觉交互系统通过带有力反馈功能的人机交互设备,使操作者操作计算机内的虚拟环境,感受到交

互过程的操作力.借助于计算机提供的三维图形显示和力觉设备的力觉显示,增强操作真实感,提高操作效率.力觉交互技术在机器人遥操作、手术模拟和培训、虚拟现实游戏娱乐、计算机辅助产品设计等领域具有广泛的应用前景[1].

力觉交互系统主要由操作者、力觉交互设备、虚拟仿真环境几部分组成,属于一种特殊的机器人系统.交互设备一般为串联或并联的机械臂,操作者抓持设备,通过虚拟仿真环境生成不同的力控制规律,模拟人与不同虚拟物体交互的力觉感受.与传统机器人控制相比,力觉交互系统具有两个特点:一是

Ξ基金项目:国家自然科学基金资助项目(50275003).收稿日期:2003-07-12

由于人与机器人直接接触,人成为机器人的环境,操作者操作方式和抓持方式不同,导致对机器人的约束状况的改变;二是虚拟仿真环节类似机器人控制器,由于交互系统模拟的操作类型差别很大,控制器可能表现出时变、非线性等特点,因此,在力觉交互设备控制时,会出现振荡、噪音等丧失稳定性的情况.这种振荡不仅导致力觉感受真实感的丧失,还可能会对操作者造成伤害,所以力觉交互系统的稳定性是系统设计的重要指标[2].

力觉交互系统的稳定性主要取决于力觉交互设备的设计和控制、虚拟环境模型的设计[3].前者主要包括控制器的超边界行为、交互设备未知的动力学模型、编码器的量化噪声、零阶保持器的能量滞后等,都会导致控制系统不稳定[4].本文基于商用力

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98　机　器　人2004年3月

觉交互设备Phantom(R)讨论稳定性问题,控制器和机

械系统参数均已经确定.

在分析稳定性时,虚拟环境的模型大都集中在“虚拟墙壁”问题上,通过分析单边约束来描述交互模型和振荡问题.Gillespie建立了人的可重复运动的动力学显式模型,将这个模型作为系统传递函数的一个环节,指出“能量泄漏”是导致虚拟墙壁模拟时产生振荡的原因[4].Adams等提出基于被动性的控制方法,不要求建立人的显式模型,将人看作被动环节时,基于被动性假设,忽略人的因素对稳定性的影响,采用虚拟匹配或能量方法,保证力觉交互系统对于任意被动虚拟环境的稳定性[2,5].在工具与复杂形状的三维物体交互时,单边约束不能描述交互过程环境阻抗变化的非线性因素,因此本文重点考虑虚拟环境模型造成的失稳和振荡问题,讨论复杂虚拟环境计算模型对稳定性的影响.

泛的研究[6].虚拟墙壁的计算模型如图

3.

图2　阻抗显示设备Phantom(R)

Fig.2　PhantomRimpedancedisplay

device

()

2　单边约束交互(Unilateralconstraintinter2action)

力觉交互系统为如图1所示的连续和离散环节

混合系统.交互设备根据工作原理不同分为阻抗显示和导纳显示两种类型

.

其式为:

Fe=Ke(Xh-X0)…Xh≥X0Fe=0…Xh<X

(1)

图3　虚拟墙壁交互模型

Fig.3　Virtualwallinteractionmodel

其中Xh为装置的位置信号,X0为虚拟墙壁边界的位置坐标,Ke为虚拟墙壁的接触刚度,Fe为虚拟力

信号.

()

PhantomR作为阻抗显示原理的设备,通过测量运动来衡量人的运动趋势(即主动力方向和大小),由于交互设备刚度的有限性[6],在模拟单边约束(虚拟墙壁)时,力觉装置末端位置(HIP)必定嵌入约束

图1　力觉交互系统组成简图

Fig.1　Componentsofforceinteractionsystem

　　目前研究界主要采用基于阻抗显示原理的力觉

装置,图2所示为美国Sensable公司产品Phantom(R)Desktop.使用时,操作者抓持设备末端的手柄,位置传感器测量装置末端位置信号,送入虚拟仿真环境,计算得到虚拟力,发送给设备控制器,通过力控制将交互力施加给操作者,实现逼真的力觉感受.

单边约束是自然界中一种广泛存在的运动约束[6],力觉交互系统的目标是模拟物理交互过程,因此“,虚拟墙壁”作为一种典型的单边约束,得到了广

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