耦合的导纳控制器的最优控制制造技术

一种耦合装置(16，116，216，316)最优地配置为在第一和第二导纳控制器和致动器组件之间通信，第一和第二导纳控制和致动器组件分别有配置为驱动相应的第一和第二致动器的第一和第二导纳控制器(12a，12b)，且第一和第二致动器中的每个分别连接到具有第一质量的第一主体和具有第二质量的第二主体，其中耦合装置(16，116，216，316)包括：输入端口，具有从第一导纳控制器和致动器组件(12a)接收第一输入力信号(f1)的第一输入端和从第二导纳控制器和致动器组件(12b)接收第二输入力信号(f2)的第二输入端；和处理器，适于基于取决于第一输入力信号和第二输入力信号的比较的拉格朗日乘数导出用于输出到第一导纳控制器和致动器组件的第一输出力信号。

Optimal control of a coupled mobility controller

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】耦合的导纳控制器的最优控制专利
本专利技术涉及控制导纳控制的致动器。具体而言，本专利技术涉及借助于拉格朗日乘数、或修改的拉格朗日乘数耦合多个(例如两个或更多个)导纳控制的致动器以用于触觉应用，并且还涉及实现(改进的)拉格朗日乘数的耦合控制器以用于控制一个、两个或更多个导纳控制的致动器。专利技术背景从通过引用并入本文的美国专利第6,028,409号可知，通过使用具有表示由两个远程控制系统操纵的质量总和的模拟质量的模型跟随控制器来耦合这两个远程控制系统，以使得能够使用其中一个系统来精确地驱动另一个系统。通过模拟质量总和，模型跟随控制器使得一个控制器上的操纵力不仅能够移动一个控制器的可操纵质量，而且能够在另一个控制器处实现等效移动。导纳控制首先是在美国专利4,398,889中获得专利的，该专利描述了用于飞行模拟装置的导纳控制器的使用。在这种类型的控制中，力用作主要控制输入，在除以质量并相对于时间积分两次后产生定位输出。图1示出了美国专利4,398,889中描述的导纳控制回路。这种特定类型的导纳控制假设虚拟质量是根据在测量的力和产生指令加速度所需的力之间的差来施加的，所述指令加速度相对于时间积分以获得指令速度，所述指令速度再次积分以产生指令定位。指令加速度、速度和加速度用于计算驱动致动器定位的致动器设定点速度。当前技术的局限性包括，它们仅在x1(t)和x2(t)的初始条件相等的特定情况下有效，仅针对约束x1(t)＝x2(t)提供特定的解决方案，和或不允许特殊的耦合行为，例如模拟在两个控制之间的耦合力受限的脱离(breakout)行为。本专利技术寻求避免或至少减轻现有技术的这些和其他问题。专利技术概述本专利技术的一个方面提供了一种耦合装置(16，116，216，316)，其被最优地配置为在第一导纳控制器与致动器组件和第二导纳控制器与致动器组件之间通信，第一和第二导纳控制和致动器组件分别具有被配置为驱动相应的第一和第二致动器的第一和第二导纳控制器(12a，12b)，并且第一和第二致动器中的每一个分别连接到具有第一质量的第一主体和具有第二质量的第二主体，其中耦合装置(16，116，216，316)包括：输入端口，该输入端口具有用于从第一导纳控制器和致动器组件(12a)接收第一输入力信号(f1)的第一输入端和用于从第二导纳控制器和致动器组件(12b)接收第二输入力信号(f2)的第二输入端，以及处理器，该处理器适于基于拉格朗日乘数导出用于输出到第一导纳控制器和致动器组件的第一输出力信号，所述拉格朗日乘数取决于第一输入力信号和第二输入力信号的比较以及第一和第二导纳控制和致动器组件中的至少一者的至少一个特性。本专利技术的其他方面和特征将从整个说明书以及所附权利要求书中限定的那些方面和特征中变得明显。有益的是，根据本专利技术的控制涉及能够测量力和定位的致动器，其中力是基于导纳的控制器的主要控制输入。本专利申请描述了使用(改进的)拉格朗日乘数来计算虚拟力，该虚拟力然后被添加到每个致动器的导纳控制回路内所需的力，从而产生最佳耦合。修改的拉格朗日乘数的使用允许模拟耦合的致动器，解决初始条件问题，减弱耦合力，并模拟致动器耦合到特定的力水平的脱离条件。可能的应用包括机器人、触觉模拟装置和远程操作装置以及模拟装置(例如用于飞行模拟的控制加载系统)。此外，例如，本专利技术包括例如通过耦合到一个或更多个导纳控制器的中央控制器控制直接耦合的(通信)导纳控制器的本地配置、和分布式配置，或者上述的混合。可以针对每一个(组)导纳控制器混合和匹配这些配置选项。例如，考虑通过互联网连接的N个系统，其中每个系统具有K个导纳控制器，所述K个导纳控制器使用N个耦合控制器耦合(在“本地”配置中对于每个系统一个耦合控制器)。也可以让分布式系统在“分布式”配置中使用K个耦合控制器，但对所有其他配置使用“本地”配置。有益的是，该架构非常灵活；需要来自每个耦合控制器处所有导纳控制器的力输入，并且然后每个耦合控制器输出被耦合到任何给定的一组导纳控制器。此外，系统可以被配置成使得控制器具有点对点关系或主从关系，其中，装置中的许多装置可以承担主角色。附图概述现在将仅通过示例的方式，参考附图来描述本专利技术的详细实施例，在附图中：图1是二阶导纳控制器Y(s)，具有力输入F、虚拟质量m、定位x，以及其中s表示拉普拉斯算子。典型地，输入力f由测量到的力f测量和虚拟模型力f模型组成；图2是根据现有技术的一对耦合导纳控制器的模型；图3是借助于拉格朗日乘数进行的耦合控制回路；图4是根据本专利技术的通过修改的拉格朗日乘数的耦合控制回路，其包括虚拟弹簧和阻尼部件；图5是借助于拉格朗日乘数的控制回路的齿轮耦合(gearedcoupling)；图6是包括齿轮耦合的导纳控制架构；图7是本专利技术的第一实施例，其包括耦合装置，使得一对模型跟随控制器能够控制相应的致动器；图8是在图7中示出的模型跟随控制器和致动器的放大视图；图9是示出根据本专利技术的多通道控制系统的示意框图；图10是根据本专利技术的拉格朗日乘数的示例；以及图11是非线性系统的形象化表示的示意图。详细描述美国专利第6,028,409号提出的耦合解决方案假设关于x1和x2的时间的初始条件相等(或者至少这些条件随着时间的推移而被满足)。这一假设并不总是有效的，因为定位x1和x2在耦合被实现之前或者由于控制操作期间累积的积分误差(integrationerrors)而可能不同。在该专利申请中，提出了一种更稳定的耦合机制，其基于来自多体动力学的拉格朗日乘数方法。然后，通过用附加项增强拉格朗日乘数来进一步扩展这一点，这允许模拟其中耦合力可能是依赖于和/或进一步依赖于定位和/或速度的力的特殊耦合行为。以下修改的拉格朗日乘数已经被确定实现了改进：其中，修改的拉格朗日乘数是拉格朗日乘数λq与定位xi和速度的函数。现在给出对于两个自由度系统(n＝2)的一些示例，其中质量m1、m2、定位x1、x2和力f1、f2。拉格朗日乘数耦合该系统，使得x1(t)＝x2(t)用于直接耦合，g1x1(t)＝g2x2(t)用于齿轮耦合。为了更好地处理初始条件问题，给出了一种修改，以用于解决x1、x2的初始条件在特定时间点(t0)处不同的情况，例如该修改涉及用作两个自由度x1和x2之间的自然(物理)控制器的虚拟弹簧和阻尼器的添加。这种机制的物理表示可以表示为：其中，刚度k和阻尼系数c，以及其中产生修改的耦合力。通过调整系数c和k，该修改确保在x1和x2之间的初始条件的差异将随着时间的推移最小化为零。在匹配初始条件的情况下，添加项为零，且拉格朗日乘数将模拟无限刚性耦合。参考图3和图4，呈现了刚刚描述的致动器控制机制的示意图。首先参考图3，示出了耦合控制组件10的示意框图，耦合控制组件10包括分别具有力输入14a和14b的第一导纳控制器12a和第二导纳控制器12b。控制组件10还包括耦合装置16，其可本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种耦合装置(16，116，216，316)，所述耦合装置被最优地配置为在第一导纳控制和致动器组件和第二导纳控制和致动器组件之间通信，所述第一导纳控制和致动器组件和第二导纳控制和致动器组件分别具有被配置为驱动相应的第一致动器和第二致动器的第一导纳控制器和第二导纳控制器(12a，12b)，并且所述第一致动器和第二致动器中的每一个分别连接到具有第一质量的第一主体和具有第二质量的第二主体，其中，所述耦合装置(16，116，216，316)包括：/n输入端口，所述输入端口具有用于从所述第一导纳控制器和致动器组件(12a)接收第一输入力信号(f1)的第一输入端和用于从所述第二导纳控制器和致动器组件(12b)接收第二输入力信号(f2)的第二输入端，以及/n处理器，所述处理器适于基于拉格朗日乘数导出用于输出到所述第一导纳控制器和致动器组件的第一输出力信号，所述拉格朗日乘数取决于所述第一输入力信号和所述第二输入力信号的比较以及所述第一导纳控制和致动器组件和第二导纳控制和致动器组件中的至少一者的至少一个特性。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170510 GB 1707473.31.一种耦合装置(16，116，216，316)，所述耦合装置被最优地配置为在第一导纳控制和致动器组件和第二导纳控制和致动器组件之间通信，所述第一导纳控制和致动器组件和第二导纳控制和致动器组件分别具有被配置为驱动相应的第一致动器和第二致动器的第一导纳控制器和第二导纳控制器(12a，12b)，并且所述第一致动器和第二致动器中的每一个分别连接到具有第一质量的第一主体和具有第二质量的第二主体，其中，所述耦合装置(16，116，216，316)包括：
输入端口，所述输入端口具有用于从所述第一导纳控制器和致动器组件(12a)接收第一输入力信号(f1)的第一输入端和用于从所述第二导纳控制器和致动器组件(12b)接收第二输入力信号(f2)的第二输入端，以及
处理器，所述处理器适于基于拉格朗日乘数导出用于输出到所述第一导纳控制器和致动器组件的第一输出力信号，所述拉格朗日乘数取决于所述第一输入力信号和所述第二输入力信号的比较以及所述第一导纳控制和致动器组件和第二导纳控制和致动器组件中的至少一者的至少一个特性。


2.根据权利要求1所述的耦合装置，其中，所述拉格朗日乘数取决于所述第一导纳控制和致动器组件和所述第二导纳控制和致动器组件中至少一者的完整约束。


3.根据权利要求1或2所述的耦合装置，其中，所述至少一个特性是所述第一质量和所述第二质量中的至少一个的质量。


4.根据前述任一权利要求所述的耦合装置，其中，所述处理器适于导出用于输出到所述第二导纳控制和致动器组件(12b)的第二输出力信号。


5.根据前述任一权利要求所述的耦合装置，其中，所述处理器在所述第一输入力和所述第二输入力均乘以对于另一组件的集中质量当量之后确定所述第一输入力和所述第二输入力的力差。


6.根据权利要求5所述的耦合装置，其中，所述力差根据方程delta＝((f1m2)-(f2m1))/(m1+m2)在所述第一输入力乘以所述第二质量(m2)除以所述第一质量和第二质量之和(m1+m2)与所述第二输入力乘以所述第一质量(m1)除以所述第一质量和第二质量之和(m1+m2)之间确定。


7.根据前述任一权利要求所述的耦合装置，适于在所述第一导纳控制和致动器组件和第二导纳控制和致动器组件(12a、12b)包括驱动相应的第一质量(m1)和第二质量(m2)的不同的齿轮传动比(g1、g2)时操作，由此所述处理器根据所述第一组件和所述第二组件的齿轮传动比的差导出来自所述第一组件和所述第二组件的输入力的差。


8.根据权利要求7所述的耦合装置，其中，所述力差基于依赖于所述第一组件和第二组件(12a，12b)的齿轮传动比g1和g2的平方的计算来确定，并且优选地给出为delta＝((f1g1m2)-(f2g2m1))/(g12m2+g22m1))。


9.根据权利要求7或8所述的耦合装置，其中，从所述耦合装置到所述第一组件(12a)的所述第一输出力通过所述第一组件齿轮传动比(...

【专利技术属性】
技术研发人员：彼得·德·兰格，理查德·戴克，杰弗里·T·威廉姆斯，
申请(专利权)人：穆格公司，
类型：发明
国别省市：荷兰;NL