头盔伺服系统的主动柔顺控制

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaMay252012V01．33No．5928-939ISSN1000·6893CN11-1929／Vhttp：／／hkxbbuaa．edu．cnhkxb@buaa．edu．cn文章编号：lOOO·6893(2012)05—0928—12头盔伺服系统的主动柔顺控制李鹏，顾宏斌+，吴东苏，刘晖南京航空航天大学民航学院，江苏南京210016摘要：对头盔伺服系统(HMDPM)主动柔顺控制策略的主要内容——轨迹规划和控制方法进行了研究

2、。首先，采用基于力反馈和滑动杆动力学模型的头部运动预测法进行轨迹规划，该方法利用并联机构(PM)分支杆长与运动平台位姿问的映射关系，通过力反馈信息和6-3UPS并联机构滑动杆动力学模型对头部运动进行预测，为头盔伺服系统的位置控制提供期望轨迹；然后，基于头盔伺服系统的动力学模型对系统的惯性项和非线性项进行了计算。设计了惯性项和非线性项补偿控制器，在进行头部运动跟踪的同时，实现了头盔显示器与头部间接触力的控制；最后，采用SimMeehanies模块建立了HMDPM--人交互模型，并进行了相关验证实验。仿真

3、结果表明，基于力反馈和滑动副滑动杆动力学模型的头部运动预钡l法能实时地、较为准确地预测出头部运动位置；基于动力学模型的惯性和非线性项补偿控制器不仅可以较为准确地跟踪头部运动，而且还能有效地减小头盔显示器与头部问的接触力，降低执行机构的刚度、减少系统摩擦力等非线性因素对使用者的干扰。关键词：并联机构；头部运动预测；主动柔顺控制；位置控制；动力学模型；阻抗控制；位／力混合控制中图分类号：V244；THll3文献标识码：A头盔显示器是一种应用于虚拟现实交互的重要设备，其功能是完成三维立体虚拟场景的显示，主要

4、用于模拟训练、工业生产等领域。文献[1]提出了一种用于飞行模拟训练的头盔显示器——头盔伺服系统(HelmetMountedDisplaywithPar—allelManipulator，HMDPM)，该系统由头盔显示器、执行机构、控制柜以及工业计算机组成。其中执行机构的功能类似于柔性外骨骼人机智能系统，既要准确地带动头盔显示器跟踪头部的位置和姿态，又要恰当地控制头部与头盔显示器之间的接触力和力矩，减少外部干扰对头部运动的影响。此类控制通常被称做柔顺控制比⋯。柔顺控制分为被动柔顺控制和主动柔顺控制两种。

5、其中被动柔顺控制因其适应性差、位置控制精度低等缺点．在多数情况下往往被主动控制所代替。主动柔顺控制经过几十年的发展。现已成为机器人研究的一个主要方向，主要涉及到医疗n。1⋯、机械加工[

6、1-13]、精密装配C14-zs]、灵巧手[17-18]、家政智能系统lI们等领域。从机器人实现依从运动的特点来看，主动柔顺控制可分为4类：阻抗控制、力／位混合控制、先进控制、智能控制∽“。其中，先进控制在前两者的基础上，增加了自适应性或鲁棒性。智能控制包括神经网络控制、模糊控制等[21

7、。阻抗控制的核心是力／位置转换

8、矩阵的设置，而确定头部与头盔显示器之间相对位置、速度与接触力的关系存收稿日期：2011-08-09；退修日期：2011-08-29；录用日期：2011-09-19；网络出版时间：2011-10·1114：12网络出版地址：⋯cnkinet／kcms／detail／11．1929V201110”1412011．h廿nIDOt：CNKI：”一1929／V．201110111412．011基金项目：国家自然科学基金(61039002)；江苏省2010年度普通商校研究生科研创新计划(CXl0B一103Z)；南

9、京航空航天大学基本科研业务费专项科研项目(N$2010180)*通讯作者．Tel．：025-84893501E-mail：ghb@flUaa。edu．cn戮用格武

10、LiP．GuH8。WuDs．etalActivecompliancecontrolofhelmetmounteddisplaywithparallelmanipulatorActaAeronauticaetAstronauticaSinica．2012。33(5)：928-939李鹦．疑宏斌。吴末苏，等．头盔伺服系统的i动柔颠控裁．航空学报

11、．2012．33‘5)：928-939李鹏等：头盔伺服系统的主动柔顺控制在较大难度；目标接触力和目标位置是力／位混合控制所必需的，但是受伺服驱动装置额定功率的限制，目标接触力在执行机构的任务空间中并不是一个恒定值，它与执行机构的位姿状态有直接关系，因而获取目标接触力也较困难；先进控制是针对不确定参数、外部扰动等外在因素提出的，其原理核心仍是阻抗控制或力／位混合控制。因此同样不适合HMDPM系统；智能控制的选取还没有较规范的标准，大量的计算影响了实用性，目