4、触觉系统控制技术解析

触觉系统控制技术解析

1. 时域无源方法

在触觉系统控制中，时域无源方法是一种重要的技术手段。该方法中的功率观测器（PO）和功率补偿器（PC）无需触觉设备的精确模型，通过简单测量能量交换就能确保系统稳定性。PO基于时域无源方法（TDPA）观察系统中的能量变化，而PC则在系统不稳定时消耗多余能量。

然而，这种方法存在一些问题。用户在操作时可能会感觉到与操作方向相反的不连续反作用力，这降低了触觉渲染的透明度。特别是当用户缓慢移动触觉设备时，PC需要较大的阻尼来消耗能量，并且在低速操作时可能会出现振动。此外，PO(n)通过累加前n步的能量交换来计算，即使系统在快速变化的刚度下变得不稳定，由于累积能量的影响，其值仍可能为正，从而无法检测到不稳定运动。这种记忆效应还会导致在时域中监测系统无源特性时出现延迟，在软硬材料共存的环境中，这种影响会更加明显。

为了满足时域无源条件，人们采用了输出限制方法，如调整输出限制器（AOL）和力边界方法（FBA）来限制环境中产生的相互作用力。将触觉系统建模为单端口或双端口网络，使用TDPA分析最大允许力。系统消耗能量的条件由方程(2.25)表示，从设备传输到用户的力$F_d$是$E_1(n)$和$B(n - 1)$的函数，其范围取决于系统能量和设备阻尼。在无源范围内的力会原样传输给用户，超出范围的力则会按照(2.26)的方式进行最大和最小限制后传输。

与PO/PC方法不同，输出限制方法避免了不连续的力反馈。考虑库仑摩擦应用FBA可以提高透明度，动态FBA则用于保证动态虚拟对象的无源特性。但FBA和AOL方法也存在记忆效应，导致监测系统无源特性时出现延迟，可能会将不稳定的环境力传输给用户。为了防止这种记忆效应，人们开发了一种按比例降低设备阻