(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210471133.1 (22)申请日 2022.04.28 (71)申请人 燕山大学 地址 066004 河北省秦皇岛市河北 大街西 段438号 (72)发明人 巩明德　刘文彬　陈圣光　梁凯凯　 贾东飞　 (74)专利代理 机构 北京孚睿湾知识产权代理事 务所(普通 合伙) 11474 专利代理师 刘翠芹 (51)Int.Cl. B25J 3/00(2006.01) B25J 9/16(2006.01) (54)发明名称 冗余自由度遥操作机器人主-从双向控制方 法及系统 (57)摘要 本发明提供一种冗余自由度遥操作机器人 主‑从双向控制方法及系统， 控制方法如下： 操作 者操作主端机械手， 三维力传感器检测的主手力 经A/D转换器和放大电路后通过 从端控制器控制 从手运动， 主端机械手位移经逆运动学计算后与 从端机械手位移作差形成位差信号归一化处理 后经过T‑S模糊推理过程得到反馈增益Kef， 进而 产生反馈力。 利用本发明的控制方法和系统， 当 主位差信号和从位差信号较大时， T ‑S反馈增益 Kef较小， 减小主端机械手的反馈力， 减轻冲击 力； 主位差信号和从位差信号较小时， T ‑S反馈增 益Kef较大， 增大主端机械手的反馈力， 提高反馈 灵敏度； T ‑S反馈增益Kef是分段连续变化的， 反 馈力没有突变， 能够提高反馈灵敏度， 增强操作 者的临场感。 权利要求书2页 说明书5页 附图2页 CN 114770458 A 2022.07.22 CN 114770458 A 1.一种冗余自由度遥操作机器人主 ‑从双向控制方法， 其特 征在于： S1、 主端三维力传感器测得主端机械手上主手力Fm， 主手力Fm经过A/D转换器转换成数 字信号再经过放大电路Km放大后输入至力调整器， 力调整器对数字信号处理之后将处理后 的数字信号输入到从端控制器， 之后数字信号经过D/A转换器转换成电流信号输入给从端 机械手的伺服电机进 而驱动从端机 械手运动； S2、 从端机械手的绝对值编码器测得从端机械手关节转角的角度值并经过A/D转换器 转换后得到从端机械手关节位移qs， 所述主端机械手的绝对值编码器测得的主端操纵手柄 的转角经过A/D转换器转换和放大电路Km放大， 再经过逆运动学计算得到主端机械手关节 位移qm， 所述主端机械手关节位移qm与从端机械手关节位移qs作差得到位差信号eq， 所述位 差信号eq经过从端控制器输出给D/A转换器后 控制从端机械手伺服电机工作进而驱动从端 机械手运动， 所述 位差信号eq经过归一化处理得到归一 化位差eq′后输入到T ‑S反馈增益中； S3、 归一化位差eq′经过T‑S反馈增益得到反馈增益Kef的数值， 将归一化位差eq′与反馈 增益Kef的乘积作为输入值输入 到主端控制器中并输出， 所述主端控制器的输出信号 经过D/ A转换器输入给主 端机械手的伺服电机进 而驱动主 端机械手运动； 其中， 位差信号eq归一化得到归一 化位差eq′， 归一化位差eq′的计算公式如下： 式中： eq′为归一化位差值； eqmin为最小位差值； eqmax为最大位差值； 所述归一 化位差eq′论域上定义 三个相互 交叠的模糊子集： S、 M、 B； 所述T‑S反馈增益采用T ‑S模糊映射， 所述T ‑S反馈增益的模糊映射的规则为： ①if(归一化位差is S)then(反馈增益Kef is 1.5)； ②if(归一化位差is M)then(反馈增益Kef is 1.0)； ③if(归一化位差is B)then(反馈增益Kef is 0.5)。 2.根据权利要求1所述的冗余自由度遥操作机器人主 ‑从双向控制方法， 其特 征在于： 所述模糊子集S和B采用高斯隶属度函数， 设置参数分别为[0.075  0]和[0.075  1]， 所 述模糊子集M采用梯形 隶属度函数， 设置参数为[0.0 6 0.16 0.84 0.94]。 3.根据权利要求1所述的冗余自由度遥操作机器人主 ‑从双向控制方法， 其特 征在于： 所述T‑S反馈增益模糊映射采用代数积 ‑加权平均判别法， 得到T ‑S型模糊反馈增 益Kef 的非线性 化曲线， 其中， Kef的值Z的计算公式如下： 式中： ω1为第一隶属度函数值； ω2为第二隶属度函数值； ω3为第三隶属度函数值； z1为 第一隶属度函数值对应的反馈增益Kef值； z2为第二隶属度函数值对应的反馈增益Kef值； z3 为第三隶属度函数值对应的反馈增益Kef值； z为最终输出的反馈增益Kef的值。 4.一种用于权利要求1所述的冗余自由度遥操作机器人主 ‑从双向控制方法的控制系 统， 其特征在于： 其包括主端机械手、 计算机控制单元和从端机械手， 所述主端机械手具有 两个相互垂 直方向的转动自由度， 所述主端机械手包括操纵手柄、 三 维力传感器、 伺服电机 和绝对值编码器， 所述三维力传感器、 伺服电机和绝对值编码器均安装在所述主端机械手权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 114770458 A 2的操作手柄， 所述从端机械手的旋转关节具有四个转动自由度， 所述从端机械手的旋转关 节处固定安装有伺服电机和绝对值编 码器， 所述计算机控制单元包括相互通信连接的主端 控制器、 计算模块、 T ‑S反馈增益单 元、 力调整器和从端控制器； 所述三维力传感器的输出端借助于A/D转换器连接所述力调整器的输入端， 所述主端 机械手的绝对值编码器的输出端借助于A/D转换器连接所述计算模块的输入端， 所述计算 模块的输出端分别连接所述T ‑S反馈增益单元和所述力调整器的输入端， 所述力调整器的 输出端连接所述从端控制器的输入端， 所述从端控制器的输出端借助于D/A转换器连接所 述从端机械手的伺服电机的输入端， 所述T ‑S反馈增益单元的输出端连接所述主端控制器 的输入端， 所述主端控制器的输出端借助于D/A转换器连接所述主端机械手的伺服电机的 输入端。 5.根据权利要求4所述的控制系统， 其特征在于： 所述主端机械手的三维力传感器、 伺 服电机和绝对值编码器借助于安装框架进行安装。 6.根据权利要求4所述的控制系统， 其特征在于： 所述计算模块用于计算归一化位差 eq′。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 114770458 A 3