[发明专利]耦合的导纳控制器的最优控制

说明书

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。

发明领域

本发明涉及控制导纳控制的致动器。具体而言，本发明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。

发明背景

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(break out)行为。本发明寻求避免或至少减轻现有技术的这些和其他问题。

发明概述

本发明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器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器和致动器组件中的至少一者的至少一个特性。

本发明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，根据本发明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)。