约束切换与阻抗显示力反馈设备的稳定性研究x 王(2)

在力觉仿真中,位置信号和虚拟力信号通过离散采样和计算得到.定义离散力信号随时间的变化率F(t),即力的时间梯度为:

.

其中,|Ke1|>|Ke2|.按照如下参数进行试验,Ke1=-1N/mm,Ke2=-0.5N/mm,X0=0,X1=2.5mm,交互时产

生振荡.

对比上述四个模型,分别计算交互过程中,离散力信号的时间梯度Ket、力的空间梯度Kec,图58给

约束切换与阻抗显示力反馈设备的稳定性研究x 王

出了模型2和模型4的试验结果,其他试验结果表

现出类似特性,由于篇幅所限没有给出

.

　　对试验结果分析,可以得到如下结论:

固定刚度虚拟墙壁在刚度过大时,在墙壁边界处由于自由空间和约束空间的切换发生振荡;变刚度虚拟墙壁在约束空间内,不同刚度切换位置处(即虚拟约束边界)产生振荡;

虚拟墙壁模拟属于基本单边约束的交互问

→

→

题,特点是交互力Fk和装置运动信号Xk之间存在线性关系,只要保证线性比例系数小于某一给定值,即可避免振荡;

在复杂形状物体交互时,虚拟力计算方法导

图5　模型2力的时间梯度

Fig.5　Force2timegradientinmodel

2

致从力觉设备的运动到交互力成为非线性映射关系,因此装置在约束空间内运动时,仍然会因为等效接触刚度的变化,导致装置不断穿越“虚拟约束边界”,虽然虚拟力模型中弹性系数小于给定阈值,但计算造成的等效刚度在变化,可能会超出给定阈值;

比较不同交互模型下F(t)的变化,发现保证力随时间的连续性并不能保证稳定交互,据此判断振荡不取决于力信号随时间变化规律;

在工具与牙齿的接触和切削交互中,力的空间梯度呈现大幅度阶跃变化,据此判断力的空间梯度超过给定阈值Kelimit是导致振荡的原因.基于该判

.

图6　模型2力的空间梯度

Fig.6　Force2positiongradientinmodel

2

据可以研究消除振荡的方法.

4　振荡消除方法(Vibrationelimination

method)

目前消除力觉设备振荡的方法主要有虚拟匹配方法[2]和时间域被动性控制方法[5].

虚拟匹配方法的基本原理是对进入虚拟环境的运动信号和虚拟环境输出的力信号同时进行处理,使最终信号关系满足双端口网络无条件稳定的范围.具体实现形式表现为由弹簧和阻尼元素串并联构成信号处理环节.对解析形式表示的一维虚拟墙壁,可以推导出解析的信号处理计算表达式,但对于采用三角片模型描述的物体,计算算法比较复杂.

时间域被动性控制方法基于被动性假设,将操作者、力觉交互设备、虚拟环境分别看作电网络端口环节,定义能量观测器来描述一个端口元件被动性损失的程度,在被动性损失时,对力信号进行修正,达到保证整个系统被动性的目的.这种方法在计算能量时需要进行速度微分,在低速操作时会引入比较大的计算噪声,造成力觉设备的振荡和噪音.

图7　模型4力的时间梯度

Fig.7　Force2timegradientinmodel

4

图8　模型4力的空间梯度

Fig.8　Force2positiongradientinmodel4

本文基于力的空间梯度概念,设计一种消除振荡的简化方法,以便实现稳定的力觉交互仿真.

约束切换与阻抗显示力反馈设备的稳定性研究x 王

基于力觉交互设备Phantom(R)的性能参数,选择力的空间梯度阈值Keclimit,对力信号进行修正,保证力信号空间梯度与力觉交互设备的阻抗范围相匹配,达到消除振荡的目的.修正模型如下:

ecec

Fk=Fk+ΔF(Klimit/Kc)…Kc>Klimit→→

′′

→→

→

Fk=Fk…Kc≤Klim

→

ec

(9)

it

其中F′k为修正后的虚拟力信号.

对于3.2节的模型2的变刚度虚拟墙壁,选择ec

Klimit=1.5N/mm,试验测量得到力觉装置位置信号随时间的变化曲线如图9所示,图10为交互力的空间梯度变化曲线.由图可见,信号处理后力的空间梯度变化幅度大大减小,有效地抑制了振荡

.

图11　表面探测交互力信号

Fig.11　Forcesignalduringsurfaceprobing

图12　切削过程交互力信号

Fig.12　Forcesignalduringcutting

图9　模型2经力滤波处理后的位置信号

Fig.9　Positionsignalafterforcefilteringinmodel2

5　结论(Conclusion)

本文基于阻抗原理交互设备,讨论复杂形状物

体感知和切削时振荡问题的产生原因和消除的方法.首先将复杂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;然后通过分析力的时间和空间分布梯度,对比基本单边约束和复杂单边约束的区别,指出由于约束切换,导致力信号空间梯度过大,这是复杂单边约束交互产生振荡的原因;通过对虚拟力信号进行滤波,保证力信号空间梯度与力觉交互设备的阻抗范围相匹配,达到了消除振荡的

图10　模型2经力滤波处理后的力空间梯度

Fig.10　Force2positiongradientafterforcefilteringinmodel2

本文的方法集成在牙科手术力觉交互仿真系统中,实现了操作球形工具对牙齿进行滑动接触和表面切削的模拟.在工具沿牙齿表面滑动的接触试验中,交互过程中嵌入深度的变化如图11所示,在工具沿牙齿表面切削试验中,交互过程中嵌入深度的变化如图12所示.采用该方法前后,操作者感受的效果存在明显的差别,试验结果表明,该方法可行地实现了仿真系统稳定性和逼真度的折衷

.

目的.通过试验验证了该方法的有效性.未来的研究将探讨基于力的空间梯度修正方法对于力觉仿真系统逼真度的影响,对该方法进行优化.

参考文献　(References)

[1]SrinivasanMA,BasdoganC.Hapticsinvirtualenvironments:taxono2

my,researchstatus,andchallenges[J].Computer&Graphics,1997,21(4):393-404.

[2]AdamsRJ,HannafordB.Stablehapticinteractionwithvirtualenviron2

ments[J].IEEETransactionsonRoboticsandAutomation,1999,15(3):465-474

(下转第106页)

约束切换与阻抗显示力反馈设备的稳定性研究x 王

106　机　器　人2004年3月

　　从实验结果不难看出,该方法不但可以使月球

车完全适应陌生的动态环境,还可以在线进行学习,满足系统的实时性.为了验证此方法对于系统可靠性的提高,将它与模糊控制和强化学习方法进行了比较.将月球车分别放置于障碍物稀疏和密集两种环境下,为其任意制定起始点,实验结果如表2.

表2　实验结果

Table2　Experimentsresults

稀疏环境成功率

模糊控制方法标准强化学习方法模糊Q学习方法

89%92%98%

5　结论(Conclusion)

本文给出了多月球车的分布式定位/通讯网络.基于模糊学习的月球车行为决策方法不但克服了模糊控制方法完全依靠参数的调节和不具备记忆功能的缺点,又解决了强化学习方法行为搜索过程相对缓慢的问题.计算机仿真试验表明,此方法既利用模糊控制算法简便的特性,完成实时行为选择,又可利用强化学习,完善自身行为的适应能力.

参考文献　(References)

[1]王巍,梁斌,夏玉华,等.月球漫游车关键技术初探[J].机器人,

2003,1(3):280-284.

[2]SchwartzA.Areinforcementlearningmethodformaximizingundiscount2

edrewards[A].ProceedingsoftheTenthInternationalConferenceonMachineLearning[C].Amherst,MA:MorganKanfmannPublishers,1993.298-305.

[3]WhitleyD,DominicS,DasR,etal.Geneticreinforce …… 此处隐藏：3607字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……