面向高空幕墻安裝的力反饋遙操作系統(tǒng)研究

顏 晗 董躍巍 李鐵軍

河北工業(yè)大學(xué)智能機電一體化研究所，天津，300132

面向高空幕墻安裝的力反饋遙操作系統(tǒng)研究

顏 晗 董躍巍 李鐵軍

河北工業(yè)大學(xué)智能機電一體化研究所，天津，300132

建立了一種能夠用于高空幕墻安裝的遙操作系統(tǒng)。為改善幕墻安裝機器人的操控性和穩(wěn)定性，在視覺反饋的基礎(chǔ)上加入力反饋，使操作者獲得良好的臨場感。根據(jù)結(jié)構(gòu)不對稱的主從機器人系統(tǒng)建立了主從機器人工作空間映射關(guān)系，確立了兩者的工作空間轉(zhuǎn)換關(guān)系。確立了機器人的軌跡規(guī)劃算法，應(yīng)用MATLAB進行仿真驗證。設(shè)計了用于軌跡矯正的模糊PID控制器，能夠很好地調(diào)節(jié)軌跡的偏移。針對系統(tǒng)的各項功能進行了實驗，實驗表明此系統(tǒng)既能保證安裝的位置精度，又能根據(jù)從手的受力情況，降低碰撞沖擊造成的風(fēng)險。

高空幕墻安裝；遙操作系統(tǒng)；力反饋；模糊PID

0 引言

遙操作機器人是人類智慧與機器人環(huán)境適應(yīng)能力的有機結(jié)合,能夠使機器人到達人難以到達或?qū)θ擞泻Φ奈ｋU環(huán)境中完成復(fù)雜操作,從而有效解決目前全自動機器人無法實現(xiàn)的問題,在現(xiàn)代科研、生產(chǎn)中有重要作用。首爾大學(xué)在2009年曾將遙操作系統(tǒng)引入挖掘機[1]，該系統(tǒng)通過藍牙將運動控制數(shù)據(jù)傳送到執(zhí)行端挖掘機。傳統(tǒng)的遙操作系統(tǒng)研究多是針對完全對等的主從機器人，例如Intuitive Surgical公司研制的達芬奇手術(shù)機器人系統(tǒng)，該系統(tǒng)僅通過4～6個鑰匙孔樣操作通道進行精細(xì)的手術(shù)操作[2]，是目前最成功的商業(yè)化醫(yī)療遙操作機器人系統(tǒng)之一。本文針對傳統(tǒng)人工高空幕墻安裝勞動強度大、工作效率低下、危險系數(shù)高、工作環(huán)境惡劣等問題，建立面向高空幕墻安裝的能夠?qū)嶋H應(yīng)用于施工現(xiàn)場的遙操作系統(tǒng)，將遙操作技術(shù)引入高空幕墻安裝領(lǐng)域。而在面向高空幕墻安裝的遙操作系統(tǒng)中，存在主機器人微小工作空間向從機器人廣闊工作空間的轉(zhuǎn)換，以及環(huán)境對從機器人的強大反作用力向主機器人對操作者手臂的適度作用力的轉(zhuǎn)換；與此同時，在高空幕墻安裝遙操作系統(tǒng)中，由于從機器人的質(zhì)量較大，在遙操作運動過程中具有一定的慣性，無法按照操作者意圖隨意起止，這也對操作者的實際控制產(chǎn)生了影響，因此，如何建立由非對稱主從機器人構(gòu)成的遙操作系統(tǒng)，如何針對從機器人在運動過程中的慣性對遙操作系統(tǒng)加以改進，對遙操作系統(tǒng)的研究具有重要意義[3-4]。

1 幕墻安裝機器人的遙操作系統(tǒng)

1.1 遙操作系統(tǒng)的整體架構(gòu)

面向高空幕墻安裝的遙操作系統(tǒng)的整體架構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)分為三個核心環(huán)節(jié)，分別為操作端、傳輸系統(tǒng)、執(zhí)行端。在本文所設(shè)計的遙操作系統(tǒng)中，操作者對力反饋手柄進行控制，控制數(shù)據(jù)由手柄輸入到操作端主控計算機內(nèi)，經(jīng)無線數(shù)傳電臺傳送到執(zhí)行端工控機中，由此控制幕墻安裝機器人的安裝工作；與此同時，幕墻安裝機器人在工作過程中受到的外力由安裝于幕墻安裝機器人末端的六維力傳感器進行采集，外力數(shù)據(jù)由工控機處理后經(jīng)無線數(shù)傳電臺傳送到操作端主控計算機中，最終由主控計算機傳輸給力反饋手柄并作用到操作者手臂上；在幕墻安裝機器人工作過程中，由高清攝像頭對機器人的工作情況進行實時的圖像采集，施工現(xiàn)場的圖像經(jīng)無線網(wǎng)橋傳輸?shù)讲僮鞫吮O(jiān)控顯示器上，指導(dǎo)操作者更好地操控機器人完成高空幕墻安裝任務(wù)[5-6]。

操作端 傳輸系統(tǒng) 執(zhí)行端1.操作者 2.監(jiān)控顯示屏 3.力反饋手柄(主機器人) 4.主控計算機 5.NVR 6.無線網(wǎng)橋 7.無線數(shù)傳電臺 8.POE交換機 9.工控機 10.高清網(wǎng)絡(luò)攝像頭 11.從機器人圖1 遙操作系統(tǒng)整體架構(gòu)圖Fig.1 Structure of tele-operation system

1.2 遙操作系統(tǒng)模型

操作端 傳輸系統(tǒng) 執(zhí)行端圖2 遙操作系統(tǒng)模型Fig.2 The model of tele-operation system

遙操作系統(tǒng)的模型主要包括三個模塊：操作者、環(huán)境以及主從機器人[7]。系統(tǒng)如圖2所示，其中,fe為環(huán)境作用于從機器人的力；fv為主機器人作用于操作者的力;fm為驅(qū)動主機器人的內(nèi)力；fmi為無線通信系統(tǒng)獲取的從機器人內(nèi)力數(shù)據(jù)；fs為驅(qū)動從機器人的內(nèi)力；fsi為無線通信系統(tǒng)進行傳輸?shù)膹臋C器人內(nèi)力數(shù)據(jù)；mh、bh、kh為操作者手臂機械阻抗的慣性質(zhì)量、阻尼系數(shù)、彈性系數(shù)；mm、bm、km為主機器人的慣性質(zhì)量、阻尼系數(shù)、彈性系數(shù)；ms、bs、ks為從機器人的慣性質(zhì)量、阻尼系數(shù)、彈性系數(shù)；me、be、ke為環(huán)境的慣性質(zhì)量、阻尼系數(shù)、彈性系數(shù)；xm為主機器人的位置向量；xmi為無線通信系統(tǒng)進行傳輸?shù)闹鳈C器人位置向量；xs為從機器人的位置向量；xsi為無線通信系統(tǒng)獲取的主機器人位置向量。

由于力反饋手柄與幕墻安裝機械手具有不同的工作空間，執(zhí)行端幕墻安裝機械手的工作空間范圍明顯大于力反饋手柄的工作空間范圍，即存在一個操作端到執(zhí)行端工作空間的小范圍到大范圍的轉(zhuǎn)化關(guān)系，因此，位移xm與xs間存在映射關(guān)系，設(shè)映射系數(shù)為kms。

主機器人的動力學(xué)模型為

fv(t)-fm(t)=mmxm(t)+bmxm(t)+kmxm(t)

(1)

從機器人的動力學(xué)模型為

fs(t)-fe(t)=msxs(t)+bsxs(t)+ksxs(t)

(2)

fs(t)=bc(kmsxsi(t)-xs(t))+kc(kmsxsi(t)-xs(t))

(3)

式中，t為時間；bc為速度比例控制系數(shù)；kc為速度積分控制系數(shù)。

2 主從機器人工作空間的映射關(guān)系

2.1 主動機器人的工作空間分析

力反饋手柄Falcon理論三維工作空間范圍Wft為4in×4in×4in(1in=25.4 mm)，坐標(biāo)原點(0,0,0)位于整個工作空間的中心位置，力反饋手柄Falcon采用右手坐標(biāo)系。力反饋手柄采用6個位置信息描述其工作空間的范圍，分別是：minx，miny，minz，maxx，maxy，maxz，分別對應(yīng)主動機器人力反饋手柄相對于操作者的最左端、最底端、最遠(yuǎn)端、最右端、最頂端、最近端，如圖3所示。其中，p=q=r=4in≈101.6 mm。

圖3 力反饋手柄的坐標(biāo)系范圍Fig.3 Coordinate system scope of force feedback shank

力反饋手柄的理論三維工作空間范圍到輸出坐標(biāo)系空間范圍有一定的內(nèi)部轉(zhuǎn)換關(guān)系，對力反饋手柄在各個工作空間位置輸出的實際坐標(biāo)值進行采集，可以得到力反饋手柄的實際工作空間分布云圖(圖4)。

圖4 力反饋手柄實際工作空間分布云圖Fig.4 Real workspace distribution of force feedback shank

根據(jù)圖4可以得到力反饋手柄實際工作空間坐標(biāo)系范圍Wfr(x,y,z)為

(4)

2.2 從動機器人的工作空間分析

本文采用蒙特卡洛方法求解幕墻安裝機器人工作空間，該方法是基于概率統(tǒng)計理論的一種機器人工作空間求解的方法，針對隨機性問題進行仿真是蒙特卡洛法的基本特征[8]。定義幕墻安裝機器人的工作空間為Wbr，利用MATLAB根據(jù)蒙特卡洛方法求解出的幕墻安裝機器人工作空間云圖(圖5)。

圖5 幕墻安裝機器人工作空間云圖Fig.5 Workspace distribution of curtain wall installation robot

分析可得機器人工作空間的坐標(biāo)范圍Wbr(x,y,z)為

(5)

2.3 主從機器人工作空間映射關(guān)系的建立

力反饋手柄工作空間坐標(biāo)系與幕墻安裝機器人工作空間坐標(biāo)系的對應(yīng)關(guān)系如圖6所示，由圖可知，兩者的工作空間坐標(biāo)系坐標(biāo)軸并非一一對應(yīng)，因此，在確定工作空間映射關(guān)系時，要考慮坐標(biāo)軸對應(yīng)關(guān)系的切換[9]。

(a)力反饋手柄工作空間 (b)幕墻安裝機器人工作空間圖6 工作空間坐標(biāo)系對應(yīng)關(guān)系Fig.6 The corresponding relationship between two work space

定義高空幕墻安裝遙操作系統(tǒng)中力反饋手柄的輸出位置坐標(biāo)為(s[0],s[1],s[2])，定義力反饋手柄輸出位置坐標(biāo)矩陣為

S=[s[0]s[1]s[2] 1]

定義高空幕墻安裝遙操作系統(tǒng)中幕墻安裝機器人獲得的目標(biāo)位置坐標(biāo)為(d[0],d[1],d[2])，定義力幕墻安裝機器人目標(biāo)位置坐標(biāo)矩陣為

D=[d[0]d[1]d[2]]

對于力反饋手柄在工作空間內(nèi)的運動到幕墻安裝機器人工作空間內(nèi)的運動的映射，建立如下的理論對應(yīng)關(guān)系：

D=kvSXtrans

(6)

其中，Xtrans為力反饋手柄空間位置坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣;kv為力反饋手柄空間映射的速度影響系數(shù)。Xtrans為主要的工作空間映射參數(shù)，kv作為空間映射輔助參數(shù)，用于通過速度值對操作者意圖進行判斷。在力反饋手柄低速運動的情況下，認(rèn)定操作者意圖進行較為精細(xì)的移動，此時對幕墻安裝機器人的跟隨性提出要求，令kv取值接近于1，以保證幕墻安裝機器人在力反饋手柄低速運動下的跟隨性；在力反饋手柄高速運動的情況下，認(rèn)定操作者意圖進行大范圍的移動，通過增大kv來增大幕墻安裝機器人的運動幅度。通過對kv的調(diào)節(jié)使幕墻安裝機器人的運動更符合操作者的控制意圖。

本文提出在面向高空幕墻安裝的遙操作系統(tǒng)的實際安裝過程中，區(qū)分粗定位與精確定位范圍，即在實際工作空間中劃分粗定位空間以及精確定位空間，在兩種空間中使用相同的工作空間映射關(guān)系，但選用不同的轉(zhuǎn)換矩陣系數(shù)，這樣，在粗定位工作空間中，幕墻安裝機器人以較大的運動幅度和較快的速度進行運動，定義此時的粗定位參數(shù)為Xtransr、kvr；在精確定位工作空間中，幕墻安裝機器人以細(xì)微的運動幅度和緩慢的速度進行運動，定義此時的精確定位參數(shù)為Xtransp、kvp，由此，通過轉(zhuǎn)換矩陣的重置確保幕墻的準(zhǔn)確安裝。此外，在幕墻安裝過程中，因固定的幕墻安裝臨界點不夠靈活，且不利于及時處理突發(fā)情況，故選取由操作者主觀選擇轉(zhuǎn)換矩陣重置臨界點，操作者通過力反饋手柄的控制按鈕觸發(fā)和恢復(fù)轉(zhuǎn)換矩陣的重置。轉(zhuǎn)換矩陣的重置流程如圖7所示。

圖7 轉(zhuǎn)換矩陣的重置流程Fig.7 The reset process of transition matrix

3 幕墻安裝機器人的軌跡規(guī)劃

在幕墻安裝機器人的軌跡規(guī)劃過程中，采用五次多項式軌跡規(guī)劃方法[10]，即使用五次多項式函數(shù)使初始和末端的邊界條件與已知條件相匹配，即

θ(t)=c0+c1t+c2t2+c3t3+c4t4+c5t5

選取6個邊界條件，分別為：機器人運動段起點關(guān)節(jié)角度θi、終點關(guān)節(jié)角度θf、起點速度為0、終點速度為0、起點加速度a以及終點加速度-a，令θfi=θf-θi。設(shè)x=t/T，其中t為時間變量，并設(shè)起始時刻為ti，終止時刻為tf，則T=ti-tf為總運動時間，當(dāng)t=0時，T=0，當(dāng)t=tf時，T=1，可得

0≤x≤1

在MATLAB環(huán)境下使用Robotics工具箱對幕墻安裝機器人進行建模以及軌跡規(guī)劃仿真，在仿真程序中，使用link([alpha A theta D] Convention)函數(shù)利用機器人D-H參數(shù)建立模型，其中alpha、A、theta、D分別代表D-H參數(shù)中的α、a、θ、d，Convention用于確定使用標(biāo)準(zhǔn)D-H參數(shù)。仿真模型如圖8所示。

圖8 幕墻安裝機器人三維仿真模型Fig.8 The 3D simulation model of curtain wall installation robot

(a)關(guān)節(jié)1 (b)關(guān)節(jié)2

(c)關(guān)節(jié)3 (d)關(guān)節(jié)4

(e)關(guān)節(jié)5 (f)關(guān)節(jié)6圖9 幕墻安裝機械手各關(guān)節(jié)角位移曲線Fig.9 Angular displacement curve of the robot’s whole joints

4 遙操作系統(tǒng)穩(wěn)定性分析與自適應(yīng)模糊PID軌跡矯正控制器設(shè)計

4.1 遙操作系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析

(a)關(guān)節(jié)1 (b)關(guān)節(jié)2

(c)關(guān)節(jié)3 (d)關(guān)節(jié)4

(e)關(guān)節(jié)5 (f)關(guān)節(jié)6圖10 幕墻安裝機械手各關(guān)節(jié)角速度曲線Fig.10 Angular velocity curve of the robot’s whole joints

(a)關(guān)節(jié)1 (b)關(guān)節(jié)2

(c)關(guān)節(jié)3 (d)關(guān)節(jié)4

(e)關(guān)節(jié)5 (f)關(guān)節(jié)6圖11 幕墻安裝機械手各關(guān)節(jié)角加速度曲線Fig.11 Angular acceleration curve of the robot’s whole joints

(7)

其中，τ為系統(tǒng)延時。

根據(jù)李雅普諾夫穩(wěn)定性理論，通過選取李雅普諾夫函數(shù)對系統(tǒng)穩(wěn)定性進行分析：

(8)

(9)

(10)

當(dāng)矩陣M的特征根全部具有負(fù)實部時，式(10)有解，即

Reλi(M)<0

(11)

由式(10)，通過矩陣運算可得

(13)

(14)

式(12)所示的M1的特征根可以通過M1的特征多項式進行求解，即

det(M1-sI)=s2+a1s+b1

(15)

解得：

(16)

由式(11)得

(17)

同理可得

(18)

由式(15)、式(17)、式(18)可以明確：當(dāng)mm、ms、bm、bs、km、ks為定值時，只要me、bc、be、kc、ke滿足上述三式，就能夠保證遙操作系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

4.2 自適應(yīng)模糊PID軌跡矯正控制器設(shè)計

軌跡矯正控制器的主要工作是對幕墻安裝機械手運動軌跡進行實時跟蹤與矯正，針對操作過程中出現(xiàn)的偏差及時進行調(diào)節(jié)，確保幕墻安裝機械手嚴(yán)格按照操作者的意圖完成工作。選擇適用于高空幕墻安裝遙操作系統(tǒng)的軌跡矯正控制器對提高幕墻安裝機械手運動的精確性及整個遙操作系統(tǒng)的操作性能有著重要意義。

首先，選擇PID控制器作為遙操作系統(tǒng)的軌跡矯正控制器。PID控制器的調(diào)節(jié)對象是幕墻安裝機械手的各個關(guān)節(jié)的運動角度，通過各關(guān)節(jié)實際運動角度與目標(biāo)運動角度的差值來實時矯正幕墻安裝機械手的運動軌跡。PID軌跡矯正控制器結(jié)構(gòu)框圖見圖12。其中，ms=1.250 kg，bs=13 N·s/m，ks=0，系統(tǒng)PID控制器Simulink仿真模型如圖13所示。

圖12 PID控制器結(jié)構(gòu)圖Fig.12 Structure of PID controller

圖13 PID控制器Simulink模型Fig.13 The simulink model of PID controller

通過臨界比例調(diào)節(jié)法對PID控制器的參數(shù)進行整定[12]，臨界比例調(diào)節(jié)法參數(shù)正定公式如表1所示。

表1 臨界比例調(diào)節(jié)法參數(shù)正定公式表Tab.1 Positive parameter of critical proportional adjustment

根據(jù)表1中的臨界比例調(diào)節(jié)法整定參數(shù)得到：KP=0.6，Ku=11.34，TI=0.5，Tu=2.25，KI=KP/TI=5.04，TD=0.125Tu=0.56，KD=KPTD=6.35。完成PID參數(shù)整定后，PID控制器響應(yīng)曲線如圖14所示,由圖可見，系統(tǒng)加入PID控制器后，其階躍響應(yīng)調(diào)整時間縮短，但超調(diào)量變大，對偏差的調(diào)節(jié)效果不理想，因此，引入模糊控制與PID控制相結(jié)合的自適應(yīng)模糊PID控制器對誤差進行調(diào)節(jié)[13]。

圖14 加入PID控制器后的響應(yīng)曲線Fig.14 The response curve with PID controller

自適應(yīng)模糊PID是在PID算法的基礎(chǔ)上，根據(jù)當(dāng)前系統(tǒng)誤差e和誤差變化率ec，利用模糊規(guī)則進行模糊推理，通過查詢模糊矩陣進行參數(shù)的調(diào)整。參數(shù)修正公式為

KP=KP_init+(e,ec)PKI=KI_init+(e,ec)I

KD=KD_init+(e,ec)D

其中，KP_init、KI_init、KD_init為PID參數(shù)的初始設(shè)計值，(e,ec)P、(e,ec)I、(e,ec)D為模糊推理的3個輸出，根據(jù)e及ec的當(dāng)前狀態(tài)自動調(diào)整PID中三個控制參數(shù)的取值。取輸入量e、ec和輸出量KP、KI、KD的模糊子集為{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB},子集元素分別代表負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大。其論域為[-6,6]，量化等級為{-6，-4，-2，0，2，4，6}。

根據(jù)參數(shù)KP、KI、KD對系統(tǒng)輸出特性的影響，可以歸納出在不同的e和ec時，被控參數(shù)KP、KI、KD的自整定要求，得到表2～表4所示的模糊控制規(guī)則。自適應(yīng)模糊PID控制器的Simulink仿真模型如圖15所示。

表2 KP控制規(guī)則調(diào)整表Tab.2 The controlling rule of KP

表3 KI控制規(guī)則調(diào)整表Tab.2 The controlling rule of KI

表4 KD控制規(guī)則調(diào)整表Tab.4 The controlling rule of KD

圖15 模糊PID控制器結(jié)構(gòu)圖Fig.15 Structure of fuzzy PID controller

量化因子Ke=Kec=0.01，比例因子UP=0.5，UI=UD=0.01，PID初始值KP= 75，KI=1.5，KD=6。模型對階躍函數(shù)的響應(yīng)曲線如圖16所示。由圖16可見，模糊PID控制器的控制精度更高，調(diào)整時間明顯縮短，沒有明顯的超調(diào)量，控制效果良好，符合系統(tǒng)的性能需求，故選擇模糊PID控制器作為遙操作系統(tǒng)的軌跡矯正控制器。

圖16 PID與模糊PID響應(yīng)曲線Fig.16 The response curve of fuzzy PID and PID controller

5 遙操作系統(tǒng)軟件系統(tǒng)的設(shè)計

5.1 遙操作系統(tǒng)軟件架構(gòu)

在遙操作系統(tǒng)中，操作端與執(zhí)行端分別有各自的核心控制器。操作端以主控計算機為核心控制器，主要負(fù)責(zé)反饋手柄數(shù)據(jù)的采集和無線數(shù)據(jù)的收發(fā)；執(zhí)行端以工業(yè)控制計算機作為核心控制器，主要負(fù)責(zé)從機器人的運動控制和主要數(shù)據(jù)的處理。這兩部分的架構(gòu)如圖17所示。

圖17 遙操作軟件系統(tǒng)架構(gòu)圖Fig.17 The structure of tele-operation system’s software

5.2 操作端軟件系統(tǒng)設(shè)計

操作端軟件系統(tǒng)由兩部分構(gòu)成：力反饋手柄控制程序以及MFC控制程序。

力反饋手柄軟件系統(tǒng)主要由Application(應(yīng)用層)、HDAL(觸覺設(shè)備抽象層)以及Haptic Device(觸覺設(shè)備層)構(gòu)成，如圖18所示。

圖18 力反饋手柄Falcon軟件系統(tǒng)構(gòu)造Fig.18 The structure of force feedback shank’s software—Falcon

MFC控制程序主要完成數(shù)據(jù)處理、無線數(shù)據(jù)收發(fā)及無線通信數(shù)據(jù)實時顯示等工作，根據(jù)MFC控制程序的功能需求將其抽象為CMFCSerialPortDlg類，其構(gòu)成如圖19所示。操作端軟件系統(tǒng)的運行流程如圖20所示。

圖19 CMFCSerialPortDlg類構(gòu)成圖Fig.19 Constitution of CMFCSerialPortDlg

圖20 操作端軟件系統(tǒng)運行流程圖Fig.20 Flow chart of operating port

5.3 執(zhí)行端軟件系統(tǒng)設(shè)計

執(zhí)行端軟件系統(tǒng)基于LabVIEW平臺開發(fā)，系統(tǒng)分為3個部分：幕墻安裝機械手運動控制程序、六維力傳感器數(shù)據(jù)采集與處理程序、無線數(shù)據(jù)收發(fā)程序。其中，幕墻安裝機械手運動控制程序包括工作空間轉(zhuǎn)換、幕墻安裝機械手運動控制、幕墻安裝機械手運動矯正、幕墻安裝機械手安全機制等要素。執(zhí)行端軟件系統(tǒng)的運行流程如圖21所示。

圖21 執(zhí)行端軟件系統(tǒng)運行流程圖Fig.21 Flow chart of execution port

6 實驗

6.1 實驗平臺的建立

操作端實驗平臺由主控計算機、力反饋手柄、監(jiān)控顯示器、NVR設(shè)備、無線數(shù)傳電臺等設(shè)備組成，如圖22所示。執(zhí)行端實驗平臺由幕墻安裝機械手、高空作業(yè)平臺、高清網(wǎng)絡(luò)攝像頭、工業(yè)POE交換機以及無線數(shù)傳電臺組成，如圖23所示。

圖22 操作端實驗平臺Fig.22 Experimental platform of operating port

圖23 執(zhí)行端實驗平臺Fig.23 Experimental platform of execution port

6.2 力反饋系統(tǒng)實驗

在力反饋系統(tǒng)中，機械手末端的六維力傳感器以數(shù)值形式反饋受力信息，數(shù)值正負(fù)取決于受力方向，數(shù)值大小與所受外力強弱成正比。在采集到六維力傳感器的數(shù)值后，首先抵消機械手末端執(zhí)行器自重所產(chǎn)生的數(shù)值，然后按比例縮小轉(zhuǎn)化為力反饋手柄對操作者的實際反饋作用力。

在實驗過程中選取三種典型的外力狀況對力反饋數(shù)據(jù)進行分析，分別是自由運動情況、持續(xù)性外力作用情況以及沖擊力作用情況。設(shè)定力反饋閾值為±10 000,fe<-10 000或fe>10 000時認(rèn)為機械手受到了外部作用力，執(zhí)行力反饋環(huán)節(jié)，力反饋系統(tǒng)的安全閾值為±70 000，當(dāng)反饋值范圍超出安全閾值時，執(zhí)行端軟件系統(tǒng)啟動安全機制，幕墻安裝機械手向沖擊力反向運動后自動停止。

在自由運動情況下，幕墻安裝機械手通過末端六維力傳感器采集數(shù)據(jù)。此數(shù)據(jù)已去除末端執(zhí)行器自重，六維力傳感器由于運動過程中的抖動和其他干擾因素反饋一定的數(shù)值，而反饋的數(shù)據(jù)基本穩(wěn)定。

在持續(xù)性外力作用下，力反饋手柄的采集數(shù)據(jù)超過力反饋閾值，此時根據(jù)各軸力反饋數(shù)值的大小，選定主反饋坐標(biāo)軸，按照比例將反饋數(shù)值傳送至操作端，并最終控制力反饋手柄的對應(yīng)軸對操作者進行力反饋。

在沖擊力作用下，執(zhí)行端會自動檢測沖擊力大小，其數(shù)值一旦超過安全閾值范圍，執(zhí)行端立即采取安全措施，向沖擊力的反方向運動一段距離后緊急停止。

6.3 遙操作系統(tǒng)空間映射實驗

在實驗過程中，使用力反饋手柄末端的按鈕作為粗定位與精確定位的控制按鈕，通過多次參數(shù)實驗，將具有代表性的合理參數(shù)整合為表5中的5組參數(shù)，并分別觀察遙操作系統(tǒng)在5組參數(shù)下的實際運行狀況。

由于工作空間坐標(biāo)軸的不對應(yīng)關(guān)系，參與工作空間轉(zhuǎn)換的z軸參數(shù)zr= -z，z為力反饋手柄反饋的實際z軸坐標(biāo)值，zr為實際參與工作空間轉(zhuǎn)換計算的坐標(biāo)值，其他軸均以力反饋手柄反饋的實際坐標(biāo)值作為參與工作空間轉(zhuǎn)換計算的坐標(biāo)值[13]。

根據(jù)現(xiàn)場的運行效果，選定編號2作為高空幕墻安裝遙操作系統(tǒng)的空間映射參數(shù)，在編號2下，幕墻安裝機械手的運行姿態(tài)能夠較好地與力反饋手柄姿態(tài)達成一致，速度影響系數(shù)kv在力反饋手柄運動速度較快的情況下，能夠較好地調(diào)節(jié)幕墻安裝機械手的運動幅度，并且不會在高速運動下過度調(diào)節(jié)運動幅度，基本符合操作者的操作意圖。力反饋手柄與幕墻安裝機械手的位置對應(yīng)關(guān)系如圖24～圖26所示。

表5 空間映射實驗參數(shù)Tab.5 Parameter of space mapping experiment

圖24 初始位置對應(yīng)關(guān)系Fig.24 The corresponding relationship of initial position

圖25 機械手x軸極限位置對應(yīng)關(guān)系Fig.25 The corresponding relationship of the ultimate position of x-axis

圖26 機械手y軸極限位置對應(yīng)關(guān)系Fig.26 The corresponding relationship of the ultimate position of y-axis

6.4 遙操作系統(tǒng)軌跡規(guī)劃算法實驗

為了驗證幕墻安裝機械手軌跡規(guī)劃算法在幕墻安裝過程中的實際效果，在實驗中根據(jù)空間轉(zhuǎn)換后的位置數(shù)據(jù)通過機械手運動學(xué)逆解求出各關(guān)節(jié)的運動角度，驅(qū)動幕墻安裝機械手運動，同時，實時采集幕墻安裝機械手各關(guān)節(jié)伺服驅(qū)動器返回的關(guān)節(jié)運動角度數(shù)據(jù)，通過幕墻安裝機械手正運動學(xué)方程解算當(dāng)前幕墻安裝機械手末端執(zhí)行器的空間坐標(biāo)位置，由此獲得幕墻安裝機械手的實時位置信息，對幕墻安裝機械手的運動軌跡進行采集復(fù)現(xiàn)。

圖27為力反饋手柄進行空間曲線運動時，力反饋手柄與機械手軌跡的對照圖，在數(shù)據(jù)輸出前已經(jīng)完成了坐標(biāo)軸的轉(zhuǎn)化，因此坐標(biāo)軸界面一一對應(yīng)。由圖可見，在五次多項式軌跡規(guī)劃算法下，幕墻安裝機械手能夠較好地完成空間曲線運動的軌跡規(guī)劃工作，幕墻安裝機械手的運動軌跡與力反饋手柄的運動軌跡基本一致，軌跡規(guī)劃效果良好。

(a)力反饋手柄

(b)機械手圖27 空間曲線軌跡對照圖Fig.27 The space trajectory’s comparison

7 結(jié)語

本文完成了面向高空幕墻安裝的遙操作系統(tǒng)的設(shè)計與論證工作，建立了能夠用于實際高空幕墻安裝的遙操作系統(tǒng),有利于解決當(dāng)前高空幕墻安裝工作環(huán)境差、安裝效率低下、危險系數(shù)高等問題,對未來建筑行業(yè)進行現(xiàn)代化、機械化的高空幕墻安裝具有指導(dǎo)意義。

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(編輯 王旻玥)

Research on Tele-operation Systems for Installation of Aerial Curtain Walls Based on Force Feedbacks

YAN Han DONG Yuewei LI Tiejun

Intelligent Mechatronics Institute of Hebei University of Technology，Tianjin，300132

A tele-operation system was established in the field of aerial curtain wall installations. To improve the handling ability and stability of the robots, this system contained the force feedback and visual feedback, allowing the operator to get a good telepresence. According to the asymmetric structures of the master-slave robot systems, the workspace mapping relation and the workspace conversion relation were established. The trajectory planning algorithms of the robots were established and simulated by MATLAB. A fuzzy PID controller was designed to adjust the tracks of the moving processes of the curtain walls. The design of remote operating system was completed, and the functions of the system were carried out. Experimental results show that the remote operating systems may ensure the positional accuracy of the installations, and reduce the risk of collision according the force feedbacks from the slave robots.

aerial curtain wall installation; tele-operation system; force feedback; fuzzy PID

2016-09-14

國家科技支撐計劃資助項目(2012BAF07B00)

TP242.6,TU689

10.3969/j.issn.1004-132X.2017.16.013

顏 晗，男，1990年生。河北工業(yè)大學(xué)機械工程學(xué)院博士研究生。主要研究方向為智能機電一體化。董躍巍，男，1992年生。河北工業(yè)大學(xué)機械工程學(xué)院碩士研究生。李鐵軍(通信作者)，男，1967年生。河北工業(yè)大學(xué)機械工程學(xué)院教授、博士研究生導(dǎo)師。E-mail：18631419904@163.com。