液压二自由度力反馈操纵杆设计

　　在遥操作系统中,操作者在较远处对机器人发出控制指令,机器人按照操作者的指令完成工作任务,同时将工作现场信号反馈给操作端.为了使操纵者在执行遥操作任务时获得良好的操作效果,不仅需要为操纵者提供视觉反馈,准确的力反馈也是十分必要的.良好的力反馈会提高操作者对从端的机器人与工作现场之间的相互作用感知[1-2],没有力反馈的遥操作系统是无法完成精细的操作任务的.为了解决电机力反馈操纵杆力矩小、响应速度慢[2]的问题,开发了一种新型的液压二自由度力反馈操纵杆.该操纵杆使用电液伺服控制系统进行驱动,操作者可以感受到较大的力反馈,而且结构简单,占用空间小,具有较大的实用价值.该研究为实现采用液压驱动代替电机进行力反馈的研究以及为更复杂的液压六自由度力反馈装置的研究提供实验依据和理论依据.

　　1 液压二自由度力反馈操纵杆的系统结构

　　1.1 系统硬件结构

　　二自由度液压力反馈操纵杆的系统结构如图1所示.该操纵杆是一个由一对流量伺服阀和摆动液压马达组成的电液伺服系统.其工作原理为:当操作者扳动操纵杆手柄时,手柄通过液压伺服阀管口的应变式压力传感器感知操作者的操纵力大小,由此得到的力信号在动态电阻应变仪进行滤波和放大,得到动态性能较好的力信号,该信号再经A/D转换器输入到计算机中作为控制依据.通过角位移传感器测得操纵杆的角位移,经放大电路放大后,通过A/D卡送入控制计算机,在控制计算机中根据控制算法得出控制量,经D/A卡输出控制信号驱动伺服阀及液压马达,实现油路控制,使得液压马达带动手柄完成转动和反馈力实现.

　　操纵杆的电液伺服系统通过控制主手的电流信号实现操纵杆转动的角位移的调节,控制传递函数为:

　　式中:Y_m为操纵杆的角位移量;K_v为负载压降为零处的伺服阀静态流量增益,若伺服阀的q_n为额定流量,I_n为额定电流,则K_v=q_n/In;ωn为伺服阀固有角频率,ω_n=2Pfn,fn为相对于相位滞后90°的频率;ξ为阻尼系数;K_ps为流量传递函数^[4]

　　在式(2)中,b为马达叶片宽度,z为马达叶片数,D为缸体内径,d为叶片安装轴外径,η_v为马达的机械效率.

　　1.2 系统软件设计

　　力反馈操纵杆的控制软件采用VC610编程,主要包含操纵界面、信号采集及预处理模块、控制器及信号存储四大部分.本系统的操作界面不仅提供了各种操作的控制实现,还通过VC的图形显示功能及数字显示功能实现对各种信号的实时监视.为了对系统进行实验分析,本系统采用VC的文本功能进行信号存储,通过Matlab软件进行信号分析.本系统的操作界面如图2所示.