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随着虚拟现实技术和交互式遥操作机器人技术的快速发展及广泛应用,可作为人机接口装置的触感装置的需求量逐年攀升。触感装置既可以直接通过操作者手部位置信息控制远端机器人或虚拟现实中的机器人,实现遥控操作。同时,它也将从端机器人或者虚拟环境中传感器感觉到的力或力矩信号反馈给操作者,使得处于近端的操作者拥有临场感,实现远距离作业或者与虚拟环境的触觉交互。无论在虚拟现实领域还是遥操作领域,透明性的研究一直是各国学者研究的热点,其中,影响其透明性的因素之一即为触感装置的动力学特性,其主要表现在两方面,其一是触感装置的力位耦合使得触感装置本身的重力、摩擦力以及惯性力等连同反馈作用力一起反馈给操作者,使操作者不能感受到真实的作用力,影响下一步操作,另一方面是力位耦合使得从端或者虚拟环境传递回的反馈作用力对触感装置的位置命令信息产生干扰,导致从端或者虚拟环境从手不能准确的跟踪触感装置的位置命令。本文针对触感装置的动力学特性,展开对其力位解耦的控制研究。
首先,利用Lagrange方法对触感装置的各个关节建立Lagrange方程,得到包括重力、惯性力的触感装置动力学方程;在各种摩擦力模型的研究基础上,选择Coulomb+Viscous摩擦模型来描述触感装置关节处的摩擦力;将触感装置关节处摩擦力计入到整体模型中,得到完整的动力学模型,并对其动力学参数进行线性化,通过最小二乘向量机方法对参数进行了估计。
其次,针对触感装置系统内存在的参数不确定及易受外部干扰等问题,研究设计了一种基于干扰观测器的机器人滑模控制。通过干扰观测器检测外加干扰及不确定因素,并对其进行补偿修正,使触感装置按照期望轨迹运动,并且设计变指数趋近律,降低滑模控制中的抖振现象,达到良好的控制效果。对控制系统进行了仿真,验证了本设计的正确性,实现了良好的控制。
最后,在现有的力位补偿方法基础上分别建立摩擦力、重力、惯性力补偿模型进行附加力补偿,对于附加位移也通过建立附加位移模型进行了补偿。此外,通过设计直接力反馈控制结构,完成对触感装置的整体设计,并对附加力及附加位移进行了仿真研究。