设计、描述和验证基于扭曲的触觉接口驱动字符串
瓦Skvortsova
西缅Nedelchev1
Ildar Farkhatdinov
Igor Gaponov- 1机器人技术和机电一体化技术中心组件,Innopolis大学Innopolis,俄罗斯
- 2电子工程和计算机科学学院,伦敦大学玛丽皇后,伦敦,英国
介绍了手腕触觉界面的设计和实验描述基于扭曲字符串执行机构。接口是用于控制驱动手腕弯曲/扩展并能呈现扭矩反馈通过旋转手柄驱动执行机构和弹簧电缆机制扭曲的字符串。接口特征获取其静态和动态触觉反馈渲染能力。合规在春天和驱动机制使触觉反馈的接口适合光滑呈现大震级由于运动传动比较高的扭曲的字符串。虚拟墙触觉渲染功能。
1介绍
机器人是人类neuromechanics有效的工具来研究克莱恩et al。(2013);Melendez-Calderon et al。(2014);黄et al。(2020)并提供触觉反馈在物理人机交互的应用程序Farkhatdinov et al。(2019);冈萨雷斯et al。(2015);Trinitatova et al。(2019)。机器人系统设计为这些应用程序通常使用电磁驱动产生力量,将它们应用到用户的身体,还有些触觉接口使用气动、液压、压电等驱动技术。结合致动器和传输各种类型有助于机械设备为物理人机交互生成所需的动态特性,因此在选择执行机构必须考虑的水平力和力矩,实现刚度、响应时间、控制精度等性能指标提供每个驱动技术。
扭曲的字符串驱动(TSA)在过去的十年里出现了一个更有效的方法来传递运动的机器人机制Zhang et al。(2019)。致动器的操作建立在这一原则的现象是基于字符串或电缆周围的物理扭纵轴使他们的合同。这种效应可以用来将旋转运动转换成线性高传播率。tsa有一系列独特的优势使得他们触觉和辅助机械设备的一个有吸引力的选择。这些好处包括固有的合规、低体重、电缆路由的灵活性,和较高的效率。描述了几种实现TSA-based机器人外骨骼最近肘(Meattini et al ., 2017)和髋部(Seong et al ., 2020)关节负荷/取消任务,对触觉渲染finger-worn系统(Hosseini et al ., 2018;Chossat et al ., 2019)和虚拟墙与接地触觉渲染接口(范和困难,2017;芬斯特拉et al ., 2021)。用户研究Hosseini et al。(2018)和Chossat et al。(2019)展示了TSA的功能呈现触觉效果(触觉墙、刚度),但该接口是用来提供力反馈只手指关节,需要更少的强大的驱动。TSA的发展更强大的触觉接口是一个具有挑战性的设计和控制工程问题更高的触觉渲染性能(刚度、动态响应)需要更快和更强的TSA机制。
本文提出了初步设计和描述基于TSA的手腕触觉设备。相比现有TSA-based触觉接口(范和困难,2017;Hosseini et al ., 2018;Chossat et al ., 2019;芬斯特拉et al ., 2021)提出的设备已经专门为人类开发手腕支持,需要大量的转矩生成能力。机器人系统来协助人类手腕弯曲和扩展需要高驱动力矩和控制带宽。使用单一关节触觉接口提供了重要的优势来研究人类运动控制和开发新的康复和辅助机器人,因为它使我们能够分析人类运动命令正是通过专注于一群对手的肌肉。例如,单一关节(弯曲/扩展)手腕触觉接口已经成功地用于人类neuromechanics研究他们允许高效采集和手臂运动学的分析,肌肉活动和大脑运动皮质激活(麦克勒兰德et al ., 2021;Farkhatdinov et al ., 2015;威廉et al ., 2016;Melendez-Calderon et al ., 2011;Farkhatdinov et al ., 2022;佩雷斯et al ., 2022)。单自由度机器人可以有效地用于神经运动的康复,(Milot et al ., 2013;Saita et al ., 2017;日本久保田公司et al ., 2019),因此小说发展的单自由度机器人和触觉的接口提出了直接影响neurorehabilitation技术的进步。
设计界面所示图1。用户与机器人通过手腕处理由TSA驱动而产生的力量扭曲的字符串转换成弯曲/扩展扭矩,随后应用于人的手腕。在本文中,我们描述的设备设计、静态和动态报告描述的开发人机界面,和现在的虚拟墙呈现的初步实验结果。发达TSA-based设备的实际验证表明,它可以实现足够的手腕触觉反馈的动态扭矩范围,与运动频率达到10赫兹。我们所知,这是第一个评价的这种TSA-based手腕触觉界面研究系统的力在高频率传输功能。与足够的精度,实验结果与理论模型和分析提出了将为下一代的触觉接口的设计基于TSA。
图1。提出TSA-based手腕触觉界面在unactuated(字符串是无捻)和驱动(字符串是扭曲)。
本文的下一部分评论扭曲弦的运动学和描述了发达的运动学和动力学TSA-based触觉界面。第三节描述了设备的静态和动态特性描述,和本文的结论与实验设备的评估和相关讨论。
2 TSA-based触觉接口
2.1概述运动学扭曲的字符串
在TSA,一连串的一端连接到电机轴同轴相连而另一端固定在机器人的末端执行器或有效载荷。扭曲的收缩运动结果的字符串,从而推动了末端执行器。根据传统模型的扭曲的字符串,Palli et al。(2012);Gaponov et al。(2013),当一个电缆的长度l和半径r在一个角度弯曲吗θ,形成一个螺旋和合同的长度X,见图2一个。由此产生的直角三角形的边(l−X),θr,l可以驱动的几何约束扭曲的字符串:
情商。可以用来计算位移X由一个字符串扭曲角θ。获得相应的速度关系,可以简单区分情商。关于时间获得的一般表达形式
在哪里
图2。(一)一段扭曲的字符串由一个圆柱体,(B)装置运动学的原理图,(C)动力学计算的原理图。
2.2运动学的触觉界面
一个原理图的运动学提出TSA-based触觉界面所示图2 b。一个电动马达的轴连接到一组字符串(蓝色)所示。其他的字符串是连接到一个滑轮(红色所示)通过一个无捻线,严格处理时滑轮。
马达曲折字符串和引起他们的收缩,X随后,这导致滑轮的角位移φ(手腕旋转)。滑轮是常数的半径R和有一个线性拉伸弹簧附在它的对面,以促进恢复运动当电缆无捻。弹簧的刚度和位置的电缆附件选择这样一个中立的滑轮和手腕的位置与电缆/字符串取向和设置φ= 0。注意的是,φ=X/R,你可以重写情商。为:
然后我们可以明确表达滑轮(手腕处理)的角度,φ汽车的功能的角度,θ,因为
和它的角速度
与
2.3接口的动态模型
提出了设备,电机产生转矩u扭曲的字符串和滑轮在顺时针方向旋转图2 c。扩展弹簧连接到另一端的滑轮方便返回下运动,并确保电缆总是紧张。因此,字符串是受到张力T这是转化为处理上的扭矩τh=T⋅R。这个转矩是由相应的反击弹簧扭矩kRφ从线性拉伸弹簧。用户在操作过程中施加扭矩τo通过作用于严格的手腕处理连接到滑轮。
无视用户的手动力学和假设条件的质量,电缆,弹簧可以忽略不计,该接口可以与两个动态子系统建模:发动机和滑轮与处理。他们的运动方程
在哪里bθ代表了粘滞摩擦系数在汽车方面,这些条件我米和我h代表电机轴的转动惯量和handle-pulley系统分别在术语τd代表所有其他力量的集体效应在起作用在TSA系统干摩擦等字符串干扰和外部干扰应用于负载。应该特别指出的是,术语τd还描述了变量字符串与扭转刚度,减少的影响,调查在我们先前的研究(波波夫et al ., 2014)。越来越合规的扭曲的影响相对字符串的字符串可能成为显著的高值收缩,然而,这并非如此发达系统功能相对较长字符串和小型收缩大小(设计)。最后,开发了反馈控制器补偿模型不准确处理由于直接测量的角度和扭矩,产生定位精度为我们的应用程序被认为是令人满意的。为更多的信息和细节的组件的推导τd扭矩和特别的负责字符串内能量损失由于其内在合规,请参考我们之前的工作(Nedelchev et al ., 2020)。运动方程情商。可以用来获得传递函数定义之间的关系电动机的输入位置和转矩和输出处理的立场和扭矩,然而这些都是有效的只有在有限的活动范围的接口这个词吗
2.4设计的触觉界面
一个实验性的触觉装置原型实现运动学计划所示图2 b设计和制造。的CAD模型提出TSA-based触觉手腕界面显示了与它的主要组件图3,而实际的原型了图1。设备由一个刚性金属框架作为基础TSA驱动模块,滑动电缆机制,弹簧附件,人力部门支持和手腕处理关节轴承。
图3。的CAD模型提出TSA-based手腕触觉界面。
手腕处理关节是由TSA驱动模块,直流伺服电动机转动的字符串。弦的另一端连着一个马车,沿着线性滑动轴承支持的指导,而其位置是由一个专门的测量线性编码器。马车的运动是通过钢丝绳转移到旋转接头。我们用两个弦无捻长度320毫米,直径为0.8毫米。字符串的长度被选中,这样他们的相对收缩30%的初始长度对应180°旋转的处理。的弹簧连接到一边滑轮与扭曲的字符串来促进TSA的恢复运动,从而使联合双向的。手腕的运动范围处理大约150°,这充分覆盖的自然范围人的手腕弯曲和扩展(140°)。
一个先驱者的无刷直流电机驱动的集成驱动(Gyems DRC06)并配备14-bit绝对编码器用于驱动TSA。光学增量编码器(Avago HEDS9040 2048 CPT)集成在机器人的腕关节测量处理的角位置(φ)。一个线性编码器的分辨率18μ米(Avago H9740-1 360 LPI)是用来衡量实际字符串收缩(X)。负载细胞(Futek LTH300 50磅)安装在处理提供测量处理和用户之间的交互部队的手掌(τh−τ◦)。另一个负载细胞之间安装电机和推力轴承,前者是推动对测量弦的张力(T)。运动命令和感觉数据采集的采样率为500 Hz。
3静态描述
3.1方法
这个实验的目的是探讨运动学的触觉接口所描述的模型Eq。4。特别是,第一个目标是描述如何腕关节的角位移φ更改与电缆扭θ。第二个目标是描述静态TSA力处理力矩传输增益。
我们进行了几个实验原型在电机控制遵循一个周期参考位置信号的形式
与电机轴旋转大小一个= 300 rad(约。48全开)选择这样的处理旋转150°(相对字符串需要大约25%的收缩),而振荡频率w被设定为0.15 rad / s(模拟准静态条件)。在实验中,我们测量了运输和处理的位置,电机电流、张力和生成的字符串。通过这些数据,我们可以画出运动关系和计算设备的传动比K整个范围的使用简单的公式处理的运动
3.2结果
运动的结果评价设备的介绍图4描述了实验和理论曲线处理的角运动角的函数。分析解决方案的帮助下计算设备的运动学模型情商。。实验数据的分析表明,理论和实践之间的均方误差值在1.3%以下,在这项研究中被认为是令人满意的。
图4。理论和实验处理角和扭转的角度提出触觉界面。
图5描述了理论和实验曲线的传动比开发接口。与模型计算的解析关系7情商。和对应的雅可比矩阵的逆。使用模型实验数据获得情商。为干摩擦的影响和会计内部电机的大小大约9极小值干摩擦被发现使用空闲没有负载时电机电流的数据应用。实验数据的分析表明,理论和实践传播比率2.9%的RMSE不同,这对于开发原型再次被认为是令人满意的。
图5。力传动比为各种处理设备的角度。
4动态描述
4.1方法
动态描述的触觉设备通常意味着调查他们的传递函数(例如,输出和输入之间的比例力量或扭矩)的频率范围。这次调查通常可以做任何操作的设备如果系统可以建模为一个线性。扭曲的字符串,然而,表现出非线性运动学,变得明显图4和图5,因此一个人不能执行的动态描述TSA-based设备在任意一个操作点,这些发现扩展到整个操作系统的范围。因此,在动态描述实验中我们发现设备的响应针对不同角度处理。
实验没有弹簧,以避免任何干扰由于其非线性和可观的质量。刚性墙放置垂直于加载单元处理。在实验中,我们慢慢把处理在墙上并压制成进一步通过旋转电机的字符串。一旦某个力阈值(15 N在我们的例子中)实现转矩的电机控制模式使用参考转矩线性调频信号:
在哪里u0阈值对应的电机扭矩力值,一个u所需的扭矩振幅,ν是振荡频率变化的因素。这个系数计算
4.2结果
结果5选择处理角度所示图6。人们可以注意从生成的图表曲线展示类似的行为,他们的价值观和运动频率的增加单调下降。的初始值K计算与情商。下降越来越扭曲,就像曲线绘制图5伪静态的情况下。
图6。频率响应的获得处理转矩电动机转矩。
图7,8功能传动比的等高线图和相应的三维图中K策划对处理的角度和频率。在这些情节,可以观察到一个稳定的收益减少K的频率,大约60小角度的处理在高频率低于10,无论角度φ。一旦超过4赫兹频率,装置展品几乎相同的增益大小K不管处理的角度。
图7。等高线图的频率响应设置的不同角度处理。
图8。插值曲面沿频率响应实验对不同处理的角度。
5测试触觉交互
为了测试我们的触觉反馈功能设备,我们实现了一个虚拟墙。多个测试进行的虚拟墙的刚度系数的范围1 - 2 Nm / rad。在下面,我们描述的虚拟墙渲染技术提出TSA-based接口和相应的测试结果。
5.1实现虚拟墙TSA-based接口
处理产生的扭矩虚拟墙,τw,设置如下:
刚度系数和虚拟墙的位置定义为Kw和φ0,分别。使用TSA的处理运动不允许直接应用触觉墙的扭矩,τw。因此,为了实现这样的墙与TSA-based接口需要不断调整处理角位置的基础上(估计或测量)转矩应用在处理由用户与触觉交互墙:
在哪里φd需要处理的角度取向,这种触觉墙吗Eq。12实现基于估计/扭矩测量user-handle互动
一旦力量调节设定值φd找到一个可以使用它作为一个参考点在任何servo-like控制器。在这项研究中,为了简单起见,我们选择了控制算法类似于TSA Jacobian-based技术开发和测试Nedelchev et al。(2019):
在哪里u年代是Jacobian-based速度参考TSA致动器,kp是一个积极的增益定义响应的速度,
5.2实验和结果
我们进行了几个实验的用户与之交互的虚拟墙实现上述控制律Eq。14。在交互期间,用户的任务是重复按下和释放设备的处理导致扭矩的增加和减少,模拟与虚拟墙。
实验结果所示图9。可以注意,处理上的实测扭矩几乎线性增加,正如预期的根据Eq。13有些滞后,可能会出现由于瞬态控制和过滤。最大扭矩刚度系数的处理Kw= 1 Nm / radτ马克斯= 1.2纳米,而对于1.5 Nm / rad和2 Nm / rad各自的扭矩测量值在1.8和2.4 Nm,相应。在实验中我们执行10个重复的手臂运动。处理力测量的标准偏差为0.03,0.05和0.06纳米Kw= 1.0,1.5,和2.0 Nm / rad,分别为每个实验。
图9。虚拟墙触觉渲染结果。处理和电动机转矩值的比较在不同刚度系数的虚拟墙。
相比之下,一个人可以通知图9发达电动机转矩不增加双重处理转矩和,事实上,每个特定的实验仍然几乎不变。具体来说,平均电机扭矩值在字符串收缩(前部分的曲线)等于22日,25日和28 mNm为虚拟墙的刚度系数Kw= 1.0,1.5,和2.0 Nm / rad。这是实现电动机由于非线性关系和处理的角度(TSA传动比)。特别处理时压在更高的关节角的值(60°-80°),与该地区重要的字符串收缩(降低传动比率),处理将被转移到区域较小的收缩大小(高传动比)字符串。这个地区需要电机施加小扭矩支持相同的力量,然而,由于所需的处理转矩增加一个春天般的时尚,这两个相互影响工作。
人也可以注意到重要的磁滞电动机转矩的数据由于单向拉伸肌腱的性质:在紧迫的模式(底部一侧的曲线),期间返回弹簧是帮助用户而释放TSA是处理和弹力。转矩滞与刚度系数也增加了。
6结论
本文报告了手腕TSA-based人机接口的设计和实验评估。设备采用扭曲的字符串来驱动滑轮附带一个句柄,通过这个可以高扭矩传输到用户的手腕。
我们已经完成实验设备的运动学和静力学特性,同时评估其动力传输特性在一系列的实验中频率达到10赫兹。试验旨在评估装置运动学报道均方根误差约为2.15%。我们所知,这是第一个评价的一种TSA-based手腕触觉界面,在高频学习其力传输能力。
设备生产处理扭矩峰值超过7海里(在初始配置),能够产生短期的扭矩超过1 Nm为整个工作空间和频率下8赫兹。此外,当前版本的设备可以产生扭矩超过400 mNm整个范围的角度和频率没有马达过热,的值可以很容易地增加了使用功能更强大的发动机或字符串较小的半径。
我们已经进行了初步的用户评价发达设备与虚拟触觉交互测试不同刚度水平。TSA的非线性传动比增加低收缩地区所需的电动机产生较小的扭矩来支持高处理力矩,有利于设计和成本方面可以使用更小、更简单的电动马达。
在未来,我们计划进行更全面的评估设备的各种用户交互的场景。此外,制造坚固版本的原型(通过更换一些组件与金属零件塑料制成的)会增加刚度的机制,将提高系统的模型的准确性。此外,负载细胞和线性编码器使用的原型可以删除在未来设计时仅用于设备的评价目的。其他潜在的研究方向是双向的开发设备,雇佣了一个额外的TSA机制而不是被动的弹簧。这将有助于提高控制设备的处理位置和速度和支持更大范围的可实现的刚度系数的处理。
数据可用性声明
原始数据支持了本文的结论将由作者提供,没有过度的预订。
作者的贡献
所有作者讨论了实验方法,结果和导致写作手稿。VS、SN和搞笑实验原型设计的。VS和SN进行了实验。
资金
研究由RFBR报道和RS,项目编号21-58-10007。皇家学会参考IEC∖R2∖202089。
的利益冲突
作者声明,这项研究是在没有进行任何商业或财务关系可能被视为一个潜在的利益冲突。
出版商的注意
本文表达的所有索赔仅代表作者,不一定代表的附属组织,或出版商、编辑和审稿人。任何产品,可以评估在这篇文章中,或声称,可能是由其制造商,不保证或认可的出版商。
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关键词:触觉界面,扭曲的字符串执行机构,人机界面,cable-driven系统、机器人控制(RC)
引用:布朗Skvortsova V, Nedelchev年代,J, Farkhatdinov我和Gaponov(2022)设计、描述和验证基于扭曲的触觉界面驱动字符串。前面。机器人。人工智能9:977367。doi: 10.3389 / frobt.2022.977367
收到:2022年6月24日;接受:2022年8月22日;
发表:2022年9月16日。
编辑:
丹尼尔Leithinger美国科罗拉多大学博尔德版权©2022 Skvortsova Nedelchev,棕色Farkhatdinov Gaponov。这是一个开放分布式根据文章知识共享归属许可(CC)。使用、分发或复制在其他论坛是允许的,提供了原始作者(年代)和著作权人(s)认为,最初发表在这个期刊引用,按照公认的学术实践。没有使用、分发或复制是不符合这些条件的允许。
*通信:瓦Skvortsova,v.skvortsova@innopolis.university