本科生畢業(yè)論文（設(shè)計） 題 目 遠(yuǎn)程 機(jī)器人力反饋遙控器設(shè)計 學(xué) 院 制造科學(xué)與工程學(xué)院 專 業(yè) 機(jī)械設(shè)計制造及其自動化 學(xué)生姓名 學(xué) 號 0543021248 年級 2005 級 指導(dǎo)教師 教務(wù)處制表 二九 年 六 月 十 日 四川大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 遠(yuǎn)程機(jī)器人力反饋遙控器設(shè)計 I 遠(yuǎn)程機(jī)器人力反饋遙控器設(shè)計 機(jī)械設(shè)計制造及其自動化專業(yè) 學(xué)生 指導(dǎo)老師 摘要： 遠(yuǎn)程機(jī)器人由于可以代替人在極限環(huán)境下進(jìn)行作業(yè)而受到越來越多的重視和研究，力反饋遙控器對于提 高遠(yuǎn)程 機(jī)器人的操作性能和工作效率具有十分重要的意義。論文對力反饋遙控器進(jìn)行了整體設(shè)計。首先，分析了當(dāng)今力反饋技術(shù)以及力反饋裝置的現(xiàn)狀，在普通遙控器的基礎(chǔ)上，安裝了力矩電機(jī)和精密電位計，設(shè)計成為力反饋裝置。其次，對遙控器控制系統(tǒng)的硬件進(jìn)行了設(shè)計。本遙控器的單片 機(jī)選用 8051 芯片，實(shí)現(xiàn)對編碼器的信號進(jìn)行處理，以及對力矩電機(jī)的控制。單片機(jī)系統(tǒng)與 系統(tǒng)的通信接口采用 行接口，論文設(shè)計了其接口電路，同時還進(jìn)行了電動機(jī)的驅(qū)動電路、鍵盤接口電路以及單片機(jī)抗干擾的設(shè)計。再次，對遙控器部分驅(qū)動程序進(jìn)行了設(shè)計，保證遙控器功能的實(shí)現(xiàn)。最后，用 設(shè)計了遙控器的外形。本論文設(shè)計是遙控器以實(shí)物為基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計的，理論上能夠?qū)崿F(xiàn)對機(jī)器人的力反饋遙控操作。 關(guān)鍵詞： 遠(yuǎn)程機(jī)器人 力反饋 單片機(jī) 遙控器 四川大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 遠(yuǎn)程機(jī)器人力反饋遙控器設(shè)計 錄 第一章 緒 論 . 1 言 . 1 題的目的和意義 . 1 程機(jī)器人的總體分析 . 2 程機(jī)器人的構(gòu)成 . 2 課題機(jī)器人從手結(jié)構(gòu) . 3 向力反應(yīng) . 4 文研究內(nèi)容 . 4 第二章 力反饋技術(shù)的分析 . 5 反饋裝置的分類 . 5 反饋裝置的特點(diǎn) . 7 構(gòu)型式 . 7 反饋實(shí)現(xiàn)方式 . 8 反饋操縱裝置的控制方式 . 8 反饋操縱裝置性能指標(biāo) . 8 反饋裝置的關(guān)鍵技術(shù)分析 . 9 . 9 構(gòu)設(shè)計 . 11 動方式 . 12 測與控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu) . 12 第三章 遙控器控制系統(tǒng)分析 . 14 信模塊 . 14 節(jié)信號采集模塊 . 15 反饋模塊 . 15 助指令模塊 . 15 第四章 力反饋遙控器硬件設(shè)計 . 16 口系統(tǒng) . 17 結(jié)拓樸結(jié)構(gòu) . 17 口芯片選取 . 17 口電路 . 20 口電路 . 20 置檢測系統(tǒng) . 21 矩電機(jī)系統(tǒng) . 22 矩電機(jī)的選擇 . 22 機(jī)驅(qū)動電路 . 22 四川大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 遠(yuǎn)程機(jī)器人力反饋遙控器設(shè)計 盤接口設(shè)計 . 24 干擾設(shè)計 . 26 第五章 力反饋遙控器程序設(shè)計 . 28 口程序設(shè)計 . 28 點(diǎn)選擇 . 28 體固件結(jié)構(gòu) . 29 程序設(shè)計 . 29 斷服務(wù)程序 . 30 求處理程序 . 30 電編碼器信號處理部分程序 . 31 序 . 34 第六章 力反饋遙控器結(jié)構(gòu)及外形設(shè)計 . 37 控器任務(wù)分析 . 37 控器的結(jié)構(gòu)設(shè)計 . 38 反饋裝置的主體設(shè)計 . 38 控桿的設(shè)計 . 39 控器外形的設(shè)計 . 40 座的設(shè)計 . 41 終裝配 . 41 控器實(shí)現(xiàn)的功能 . 42 第七章 總結(jié)與展望 . 43 參考文獻(xiàn) . 44 致 謝 . 45 四川大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 遠(yuǎn)程機(jī)器人力反饋遙控器設(shè)計 1 第一章 緒 論 言 隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人已深入應(yīng)用于生活的各個領(lǐng)域，其中遠(yuǎn)程機(jī)器人應(yīng)用最為廣泛。遠(yuǎn)程機(jī)器人是指在人的操縱下，能在人難以接近、無法進(jìn)人或?qū)θ梭w有害的環(huán)境中完成比較復(fù)雜操作的一種遠(yuǎn)距離操作系統(tǒng)。遠(yuǎn)程機(jī)器人從二十世紀(jì)六十年代出現(xiàn)，經(jīng)過將近半個世紀(jì)的發(fā)展，已 經(jīng)取得了很大的成就，其成果已經(jīng)廣泛被運(yùn)用于工業(yè)，民用的各個領(lǐng)域，并帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)效益，而且隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，它的應(yīng)用前景將更加廣闊 1。 遠(yuǎn)程醫(yī)療機(jī)器人技術(shù)是遠(yuǎn)程機(jī)器人的一個重要應(yīng)用，是一個集醫(yī)學(xué)、生物力學(xué)、機(jī)械學(xué)、機(jī)械力學(xué)、材料學(xué)、計算機(jī)圖形學(xué)、計算機(jī)視覺、數(shù)學(xué)分析、機(jī)器人等諸多學(xué)科為一體的新型交叉研究領(lǐng)域，已經(jīng)成為國際機(jī)器人領(lǐng)域的一個研究熱點(diǎn)。近年來，許多歐美發(fā)達(dá)國家紛紛設(shè)立專項(xiàng)投資，開展醫(yī)療手術(shù)機(jī)器人技術(shù)的研究，經(jīng)過短時間的快速發(fā)展，目前該項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)在醫(yī)療外科手術(shù)規(guī)劃模擬、微損傷精確定位操作 、無損傷診斷和檢測，新型手術(shù)醫(yī)學(xué)治療方法等方面得到了廣泛的應(yīng)用。將力反饋技術(shù)應(yīng)用于遠(yuǎn)程醫(yī)療機(jī)器人是目前的研究熱點(diǎn)之一，它通過力覺、觸覺的實(shí)時反饋，使操作者產(chǎn)生身臨其境的感覺，從而提高手術(shù)的成功率，縮短手術(shù)時間 2。 題的目的和意義 機(jī)器人技術(shù)一直沿著智能化的方向發(fā)展，智能機(jī)器人通常被認(rèn)為是全自主系統(tǒng)，多年來人們按照這種思路去開發(fā)實(shí)際的智能系統(tǒng)。二十世紀(jì)八十年代以后，隨著對智能機(jī)器人的進(jìn)一步研究，研究人員認(rèn)為工作在復(fù)雜或非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中的全自主式機(jī)器人系統(tǒng)在短期內(nèi)難以實(shí)現(xiàn)，因此對于許多機(jī)器人系統(tǒng)應(yīng) 用來說，都需要有人的操作介入。這讓人們認(rèn)識到智能系統(tǒng)應(yīng)該是一個人機(jī)集成系統(tǒng)，這種認(rèn)識的基本思想就是要充分利用人和機(jī)器人各自的優(yōu)點(diǎn)，互補(bǔ)地完成更加復(fù)雜的工作。這種思想成功的關(guān)鍵不是開發(fā)出一種全自動系統(tǒng)而是允許操作者與機(jī)器人系統(tǒng)相互合作，以使總體的效率和生產(chǎn)力得以提高。 人 器人是由這種方式發(fā)展演變而來的。最早期的主從操作機(jī)器人，是結(jié)構(gòu)相同的兩套機(jī)構(gòu)，分別放置在不同的地方，其中主端系統(tǒng)放置在一個安全或方便的地方，從端系統(tǒng)放置在人不宜接近的地方，如有輻射、高溫、水下、太空 等環(huán)境。主從操作方式極大地延伸了機(jī)器人的應(yīng)用空間，在許多危險或極限環(huán)四川大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 遠(yuǎn)程機(jī)器人力反饋遙控器設(shè)計 2 境下，用機(jī)器人代替人是唯一可行的辦法。因此，人類在外層空間開發(fā)、海洋深水作業(yè)及核電站的檢測與維護(hù)方面，都離不開遠(yuǎn)程機(jī)器人。遠(yuǎn)程機(jī)器人已成為上述領(lǐng)域不可缺少的設(shè)備。此外，在一些危險、有毒有害的工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境中，也是遠(yuǎn)程機(jī)器人的用武之地。但這種主從操作并沒有真正體現(xiàn)人 年來人 及先進(jìn)的控制技術(shù)，發(fā)展成為新型的主從式遙控作業(yè)系統(tǒng)。其中，具有感知能力的機(jī)器人技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是開 發(fā)這種集成系統(tǒng)的兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。作為系統(tǒng)中關(guān)鍵要素的操作者接受遠(yuǎn)端的視覺和非視覺信息在其上的“顯示”，并對遠(yuǎn)端系統(tǒng)進(jìn)行交互性控制。這樣操作者可以處在一個安全和虛擬的工作環(huán)境中，獲得臨場的感覺信息，協(xié)同機(jī)器人系統(tǒng)更具效能和效率的完成指定的工作 3。 臨場感（ 術(shù)是指讓本地操作者感受來自遠(yuǎn)端操作器的視覺、力覺、觸覺以及其他傳感器信息，使其感覺身處遠(yuǎn)地的工作現(xiàn)場，這樣操作者可以對遠(yuǎn)端現(xiàn)場的作業(yè)情況做出準(zhǔn)確的判斷和決策，指導(dǎo)遠(yuǎn)端作業(yè)系統(tǒng)做出正確的動作，有 效地完成任務(wù)。臨場感分為視覺臨場感和非視覺臨場感。視覺臨場感在遙控作業(yè)系統(tǒng)中的重要性已得到了廣泛的認(rèn)識并得到了較為深入的研究，力覺臨場感技術(shù)的研究才開始不久。對人類獲取信息能力的研究表明，視覺信息所占的比例最大，但是當(dāng)機(jī)器人與環(huán)境相互作用時，比如組裝工件、插銷入孔等，如果僅僅提供視覺圖像信息，操作者不能從中獲得真實(shí)的感受，只有在力覺臨場感的指導(dǎo)下，操作者才能完成這種復(fù)雜和精細(xì)的作業(yè)任務(wù) 4。 遙控作業(yè)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)還表明，力和接觸感覺的反饋可以大大提高遙控作業(yè)的效率和精確性。例如，在對遙控機(jī)械臂的對比研究中， 發(fā)現(xiàn)在有力反饋時的效率是僅用圖象顯示的兩倍以上。另外，在沒有力反饋的遙控作業(yè)系統(tǒng)中，遠(yuǎn)端機(jī)器人嚴(yán)格執(zhí)行操作者的指令而運(yùn)動，機(jī)械手的實(shí)際位置由于各種原因而同指令位置產(chǎn)生誤差，這種誤差會帶來較大的不必要接觸力，或偏離制定軌跡，因此在這種情況下很難保證系統(tǒng)的安全性和完成任務(wù)的可靠性。由此可見力覺臨場感會給遙控作業(yè)系統(tǒng)帶來很大的優(yōu)越性，可以極大地提高其操作性能。具有臨場感的遙控作業(yè)系統(tǒng)可以看作是主從式遙控機(jī)械手的一種發(fā)展，由于臨場感技術(shù)可以大大地改善遙控機(jī)器人的作業(yè)能力。因此，臨場感技術(shù)，特別是力覺臨場感的研究對增強(qiáng)我國的綜合國力，對我國趕超世界尖端技術(shù)具有十分重要的意義。 程機(jī)器人的總體分析 程機(jī)器人的構(gòu)成 遠(yuǎn)程機(jī)器人代替人在人難以接近或?qū)θ梭w有害的環(huán)境下作業(yè)，已取得了巨大的成功，是當(dāng)今機(jī)器人領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。遠(yuǎn)程機(jī)器人主要由五部分組成 :操作者、主機(jī)械手、通信環(huán)節(jié)、從機(jī)械手和作業(yè)環(huán)境。有的遠(yuǎn)程機(jī)器人還要有智能化人機(jī)接口。遠(yuǎn)程機(jī)器人一般都有移動裝置、觀察系統(tǒng)等輔助設(shè)備。如果沒有這些輔助設(shè)備，一般不能稱為遠(yuǎn)程機(jī)器人，只四川大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 遠(yuǎn)程機(jī)器人力反饋遙控器設(shè)計 3 能稱為雙向伺服主從機(jī)械手 5。遠(yuǎn)程機(jī)器人的組成如圖 1示。 課題機(jī)器人從手結(jié)構(gòu) 示的球關(guān)節(jié)混聯(lián)機(jī)器人結(jié)構(gòu)構(gòu)型。該機(jī)器人采用具有冗余自由度的 7+1 自由度構(gòu)型設(shè)計，第一關(guān)節(jié)是輔助關(guān)節(jié)，為移動關(guān)節(jié)， 實(shí)現(xiàn)手術(shù)機(jī)械手整體的上下移動 ；第二、第三關(guān)節(jié)為兩個平行的轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)，實(shí)現(xiàn)手術(shù)臂在水平面內(nèi)的大范圍調(diào)整；第四關(guān)節(jié)帶平行四邊行機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)，相當(dāng)于手臂的肘關(guān)節(jié)，保證位置機(jī)構(gòu)運(yùn)動時，末端工具只發(fā)生位置的改變而姿態(tài)不發(fā)生變化；第五關(guān)節(jié)為球關(guān) 節(jié)，實(shí)現(xiàn)兩個自由度的轉(zhuǎn)動，調(diào)整手術(shù)工具桿的姿態(tài)；第六關(guān)節(jié)為移動關(guān)節(jié)，用于控制手術(shù)工具桿的伸縮；第七個關(guān)節(jié)為轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)，實(shí)現(xiàn)手術(shù)工具的自轉(zhuǎn)。姿態(tài)機(jī)構(gòu)，采用三軸交匯于一點(diǎn) 作者 主操作手 通訊環(huán)節(jié) 從機(jī)械手 作業(yè)環(huán)境 圖 1程機(jī)器人的組成 圖 1器人結(jié)構(gòu)構(gòu)型 四川大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 遠(yuǎn)程機(jī)器人力反饋遙控器設(shè)計 4 的結(jié)構(gòu)，可以保證末端工具能以某個固定點(diǎn)為中心產(chǎn)生大范圍的角度調(diào)整。 向力反應(yīng) 為了提高主從手的操作性能，本課題采用力反饋技術(shù)。力反饋技術(shù)是以人為中心，通過各種傳感器將從手與作業(yè)環(huán)境的交互信息、反饋給操作者，使操作者有身臨其境的感覺。力覺是動覺的一種，它是把從手的操作力傳遞給主手， 反向驅(qū)動主手，形成雙向力反應(yīng) 6。 文研究內(nèi)容 力反饋遙控技術(shù)是當(dāng)今應(yīng)用于機(jī)器人領(lǐng)域的熱點(diǎn)，本文通過對力反饋技術(shù)的分析，在實(shí)物的基礎(chǔ)上加以改造，設(shè)計了力反饋遙控器。本文研究內(nèi)容共分六章： 第一章 緒論 主要介紹力反饋技術(shù)的應(yīng)用及背景。闡述了選題的目的和意義。 第二章 力反饋遙控的技術(shù)分析 主要分析力反饋結(jié)構(gòu)，力反饋裝置的特點(diǎn)，力反饋的關(guān)鍵技術(shù)。 第三章 力反饋遙控器控制系統(tǒng)的分析 主要介紹力反饋控制系統(tǒng)的組成，各個模塊的功能。 第四章 力反饋遙控器硬件設(shè)計 主要介紹力反饋遙控器控制系統(tǒng)各個模塊的結(jié)構(gòu)和選型，以及各模塊 電路的設(shè)計。 第五章 力反饋遙控器部分程序設(shè)計 主要介紹力反饋遙控器控制的一些關(guān)鍵部分的程序設(shè)計。 第六章 力反饋遙控器結(jié)構(gòu)及外形設(shè)計 主要介紹了遙控器設(shè)計步驟和遙控器可以完成的功能。 第七章 總結(jié)與展望 對本文進(jìn)行了總結(jié)并對力反饋遙控器的發(fā)展做了初步展望。 四川大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 遠(yuǎn)程機(jī)器人力反饋遙控器設(shè)計 5 第二章 力反饋技術(shù)的分析 反饋裝置的分類 力 /力矩反饋裝置應(yīng)用的范圍廣泛，不同的功能和應(yīng)用場景使得裝置的工作原理和結(jié)構(gòu)相差很多。下面根據(jù)力 /力矩反饋裝置的構(gòu)型特點(diǎn)分為串聯(lián)、并聯(lián)、混聯(lián)等類型。 (1) 串聯(lián)結(jié)構(gòu)力 /力矩反饋裝置串聯(lián)結(jié)構(gòu)的力 /力矩反饋裝 置主要是模仿人的手臂，最具有代表性的是由美國 司生產(chǎn) 反饋手臂，其結(jié)構(gòu)如圖 2。 反饋系統(tǒng)是在國外各實(shí)驗(yàn)室中廣泛應(yīng)用的產(chǎn)品，力反饋是通過一個指套加上的，用戶把他的手指或鉛筆插入這個指套，三個直流馬達(dá)產(chǎn)生在 X、 Y、 Z 坐標(biāo)上的三個力。 控制器是一種小型的可反向驅(qū)動的機(jī)器人，如圖 2示，具有 6 個自由度， 由 6 個無刷直流伺服電機(jī)驅(qū)動。三個坐標(biāo)軸的位置分辨率為 個坐標(biāo)軸的轉(zhuǎn)動分辨率為 1/90 度或 40 分，轉(zhuǎn)動范圍為 90，最大輸出力為 95頓，最小的輸出力為 頓。手接觸式交互裝置，如圖 2型所示，包括 2 個串聯(lián)桿，稱之為手指機(jī)構(gòu)，每個桿件具有 3 個被驅(qū)動的轉(zhuǎn)動副。用戶通過把指尖放入該裝置的套管里便能夠感受到反饋回來的力。放置在末端的球關(guān)節(jié)使該機(jī)構(gòu)能夠到達(dá)用戶指尖所指的任何方向。 圖 2 力反饋裝置 構(gòu)圖 實(shí)物圖 四川大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 遠(yuǎn)程機(jī)器人力反饋遙控器設(shè)計 6 （ 2） 并聯(lián)結(jié)構(gòu)力 /力矩反饋裝置并聯(lián)結(jié)構(gòu)力 /力矩反饋裝置主要 的結(jié)構(gòu)形式是采用并聯(lián)機(jī)構(gòu)作為運(yùn)動平臺，把控制器固定在并聯(lián)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動平臺上 8。最早的并聯(lián)機(jī)構(gòu) 行艙放在 動平臺上，機(jī)構(gòu)隨著駕駛員的控制模擬飛機(jī)的飛行，使駕駛員感覺處于真實(shí)的環(huán)境。最簡單的并聯(lián)力 /力矩反饋裝置是 2 自由度的游戲手柄，如微軟力反饋搖桿 圖 2種搖桿控制是無接觸性光電控制，其 X、 Y 坐標(biāo)控制及力度控制也都使用光控，當(dāng)操作者移動手柄時，發(fā)光管隨著手柄移動，接收電路則不斷地輸出手柄位 置移動的信號給電腦。電腦將根據(jù)游戲的情節(jié)，控制電機(jī)正、反旋轉(zhuǎn) (旋轉(zhuǎn)方向與操作者手動作方向相反 )。然后通過一套機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)來產(chǎn)生對手柄 X、 Y 方向的力反饋效果，同時電機(jī)通入電流大時，力反饋效果就強(qiáng)。 華盛頓大學(xué)生物機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室研究的線性接觸演示器 (自由度的力反饋裝置，具有很大的工作空間，輸出力和結(jié)構(gòu)剛度。它的特點(diǎn)是具有已申請專利的鋼索傳輸系統(tǒng)，使得三個互相垂直的移動軸方向具有高的力和剛度。電機(jī)安裝在機(jī)構(gòu)的基座上，圖 2控制器 圖 2手觸式交互裝置 圖 2軟力反饋遙控桿 圖 2 (四川大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 遠(yuǎn)程機(jī)器人力反饋遙控器設(shè)計 7 所以只 有質(zhì)量較輕的聯(lián)接元件隨手柄移動，如圖 2示。 (3) 混聯(lián)結(jié)構(gòu)力 /力矩反饋裝置混聯(lián)結(jié)構(gòu)的力 /力矩反饋裝置一般結(jié)構(gòu)形式是把幾種并聯(lián)機(jī)構(gòu)串接到一起或者把串聯(lián)和并聯(lián)機(jī)構(gòu)串接到一起工作。目前做的比較成功的有韓國的智能機(jī)器人研究中心 (制的制動式被動觸覺顯示裝置( 作組的反饋裝置和空間機(jī)械 實(shí)驗(yàn)室 ( 6 自由度力反饋裝置。韓國的制動式被動觸覺顯示裝置其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為：下部是 3平面并聯(lián)結(jié)構(gòu)，為 x,y 方向的移動和 z 方向的轉(zhuǎn)動三個自由度。上部 3空間并聯(lián)結(jié)構(gòu)具有 z 方向的移動和 x，y 方向的轉(zhuǎn)動三個自由度。兩部分相連就組成新的 6反饋裝置，如圖 2示。圖a 制動式觸覺顯示裝置，圖 b 反饋裝置。 反饋裝置的特點(diǎn) 構(gòu)型式 根據(jù)與操作者肢體的相互作用關(guān)系，現(xiàn)有的力反饋裝置可以分為：基于手指的裝置、基于手部的裝置、基于上肢的外骨骼裝置等，自由度數(shù)目由 2 個至 6 個甚至更多。按照力反饋操縱裝置的結(jié)構(gòu)型式可以分為：串聯(lián)、并聯(lián)、串 聯(lián)結(jié)構(gòu)具有工作空間大，運(yùn)動學(xué)正解容易的優(yōu)點(diǎn)，但各環(huán)節(jié)的累積誤差較大，逆解復(fù)雜，精確的運(yùn)動控制難以實(shí)現(xiàn)。與串聯(lián)機(jī)構(gòu)相比，并聯(lián)機(jī)構(gòu)是復(fù)雜的空間多環(huán)機(jī)構(gòu)，構(gòu)件數(shù)目多，構(gòu)件間存在嚴(yán)重的耦合關(guān)系，動力學(xué)計算復(fù)雜，運(yùn)動學(xué)正解復(fù)雜，逆解容易，可以對平動與轉(zhuǎn)動實(shí)行解耦，以提高控制精度，機(jī)構(gòu)具有剛度大、 承載能力大、無積累誤差、自重平衡較好及各向同性較好等特點(diǎn)，因而，基于并聯(lián)機(jī)構(gòu) (如 臺 )的力覺交互裝置引起關(guān)注。但不足之處圖 2 a 制動式觸覺顯示裝置 b 反饋裝置 四川大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 遠(yuǎn)程機(jī)器人力反饋遙控器設(shè)計 8 是工作空間范圍小，姿態(tài)變化幅度有限。而串 而，也逐漸受到重視。根據(jù)主、從機(jī)械手結(jié)構(gòu)型式、自由度數(shù)是否相同，力反饋裝置可以分為同構(gòu)式與異構(gòu)式兩種。對于同構(gòu)式力反饋裝置，從手按比例跟隨主手運(yùn)動，結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)動及控制較容易實(shí)現(xiàn)，目前，國、內(nèi)外以同構(gòu)式為主。但只適用單一的從機(jī)械手，缺乏通用性。異構(gòu)式的主、從機(jī)械手結(jié)構(gòu)及運(yùn)動關(guān) 系不明確，二者的運(yùn)動和動力對應(yīng)關(guān)系需在計算機(jī)中經(jīng)過運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)正逆解算，將關(guān)節(jié)空間映射到操作空間，通過合理地選擇主、從手之間的力和運(yùn)動比例，將其分配到力反饋裝置的各個關(guān)節(jié)上，由各關(guān)節(jié)驅(qū)動元件產(chǎn)生操作者感知的力信息，控制算法比較復(fù)雜，但運(yùn)動形式靈活多樣，通用性強(qiáng)，更適合現(xiàn)代機(jī)器人智能化的需要，是一個重要的研究方向。 反饋實(shí)現(xiàn)方式 力反饋是將關(guān)節(jié)空間的力映射為操作空間的力，最終在操作者手指或手部實(shí)現(xiàn)力覺反饋的過程。力覺的產(chǎn)生需要通過一定的動力元件完成，由于操作空間的力與操作者的手部直接接觸，要求動 力元件具有足夠的帶寬和動態(tài)范圍、較大的功率密度 (功率 /重量比或功率 /體積比 )以及安全可靠?，F(xiàn)有的力反饋實(shí)現(xiàn)方式可分為主動和被動兩種形式。主動形式是指反饋力通過動力元件及傳動機(jī)構(gòu)直接作用在操作者肢體上，使操作者獲得真實(shí)力覺的形式。動力元件有力矩電機(jī)、直流伺服電機(jī)、振動器以及氣缸、液壓缸、氣動人工肌肉、電流變流體、磁懸浮、形狀記憶合金、壓電晶體、電致和磁致伸縮機(jī)構(gòu)等。被動 (又稱為本質(zhì)無源 )形式是指當(dāng)從機(jī)器人與環(huán)境發(fā)生接觸時，利用電機(jī)堵轉(zhuǎn) (抱閘 )、塑性緊固等方式使機(jī)構(gòu)失去自由度，當(dāng)操作者肢體移動時感覺到機(jī)構(gòu)或裝置 的反作用力，從而獲得力反饋的方式。主動形式需要限制力 /力矩，以免力 /力矩過大對使用者造成傷害；而被動形式要求操作者主動向機(jī)構(gòu)施力，否則就感覺不到力，而且無法進(jìn)行誤差補(bǔ)償。 反饋操縱裝置的控制方式 力反饋操縱裝置的控制方式可以分為主 從控制，主手的結(jié)構(gòu)、自由度分布以及工作空間都與從機(jī)械手相同，比較容易實(shí)現(xiàn)主 得到較好的控制結(jié)果。但移植性較差，無法與其他結(jié)構(gòu)型式的機(jī)械手匹配。通常，工業(yè)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)和自由度與人體的關(guān)節(jié)結(jié) 構(gòu)和自由度分布不同，使操作的舒適性和協(xié)調(diào)性不佳，導(dǎo)致操作不便。通用匹配型是為了提高控制的舒適性和協(xié)調(diào)性，將力反饋裝置盡量設(shè)計成與人體的關(guān)節(jié)、自由度及運(yùn)動范圍相符。但是，這種類型的主手通常與從機(jī)械手的結(jié)構(gòu)、自由度以及工作空間都有較大的差別，需要通過運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)正逆解，產(chǎn)生控制和反饋指令。目前，主要有點(diǎn)對點(diǎn)、姿態(tài)對姿態(tài)等多種匹配方法。對于更一般的匹配問題，需要建立一種方便有效的方法，通過調(diào)整操作空間與關(guān)節(jié)空間中的各個參數(shù)，達(dá)到良好的匹配效果。 反饋操縱裝置性能指標(biāo) 隨著遠(yuǎn)程機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大 ，從機(jī)械手的結(jié)構(gòu)趨于多樣化，一般需要根據(jù)從機(jī)械手的應(yīng)用場合設(shè)計力反饋操縱裝置。力反饋操縱裝置均由特定的機(jī)構(gòu)組成，通常按照四川大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 遠(yuǎn)程機(jī)器人力反饋遙控器設(shè)計 9 自由度數(shù)、工作空間、各向同性、結(jié)構(gòu)奇異、靈巧度、位置精度等評價機(jī)構(gòu)的性能指標(biāo)進(jìn)行設(shè)計；但作為力反饋操縱裝置，除了應(yīng)滿足上述指標(biāo)以外，還包括力反饋的范圍 (又稱模擬剛度 )和力反饋精度、動態(tài)特性以及人體工程學(xué)等指標(biāo)。例如，力反饋裝置可以用最大模擬剛度 (N/m)來評價。研究表明，大多數(shù)操縱裝置能夠接受的剛度為 20N/m，可以施加在操作者手指的最大值為 40N/m，但是執(zhí)行精確操作時，則不能超過 10N/m。此外，為提高力反饋的精度，力反饋裝置的動態(tài)特性應(yīng)與人體的運(yùn)動響應(yīng)特性相適應(yīng) 9。 反饋裝置的關(guān)鍵技術(shù)分析 遠(yuǎn)程機(jī)器人系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，對于力反饋操縱裝置的性能指標(biāo)要求尚沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，一般應(yīng)根據(jù)具體主 功能上講，力反饋操縱裝置的作用主要包括兩個方面，一方面，將操作者手部的位置和姿態(tài)信息實(shí)時準(zhǔn)確地傳送給遠(yuǎn)端機(jī)器人，另一方面，將從機(jī)器人與環(huán)境的相互作用力 /力矩信息反饋給操作者。理想的力覺臨場感能使操作者感知的力等于從手與作業(yè)對象之間的 作用力，同時從手的位置跟蹤主手的位置，此時的力反饋控制系統(tǒng)稱為完全透明?？傮w上，應(yīng)該具有結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，操作靈活輕便，摩擦和慣性小、具有合適的操作空間和出力，符合操作者的動力學(xué)特性、通用性強(qiáng)等特點(diǎn)。概況起來主要包括以下幾個方面： （ 1）位置控制精度 通常，主手的運(yùn)動將按照一定的映射關(guān)系變?yōu)閺臋C(jī)器人的運(yùn)動，因此，要求主手的位置控制精度較高。主手上的位移傳感器實(shí)時檢測手部的運(yùn)動并將位移信息作為控制信號傳送給從手，因此，位移傳感器的檢測精度是決定從手跟蹤主手位移精度的重要因素；此外，減制造、安裝誤差和結(jié)構(gòu)變形引起 的非線性因素，也是主 （ 2） 反饋力范圍 主手的反饋力通常由力矩電機(jī)、液壓或氣動裝置產(chǎn)生，反饋力應(yīng)處于適當(dāng)?shù)姆秶答伭Φ南孪夼c機(jī)械結(jié)構(gòu)、摩擦力、慣性力有關(guān)。研究表明，在信息感知方面，人只能在生理極限能夠承受的環(huán)境中，進(jìn)行有限小閾值范圍內(nèi)、模糊定性的感知。因此，主手的力覺閾值小于人手的最小感知閾值將是力反饋操縱裝置設(shè)計的目標(biāo)之一。主手承受的主動載荷為人手的作用力，一般不超過 10時間工作時的載荷更??；反饋力的上限應(yīng)使操作者操作安全、不易產(chǎn)生疲勞感。 （ 3）動態(tài)特性 為了使操作者產(chǎn)生靈敏的力覺，要求力反饋操縱裝置的各個運(yùn)動副運(yùn)動靈活、摩擦力小；使主手的動態(tài)響應(yīng)與人手能夠感知的信號頻率范圍相匹配，這種性能將取決于力反饋四川大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 遠(yuǎn)程機(jī)器人力反饋遙控器設(shè)計 10 操縱裝置的結(jié)構(gòu)及驅(qū)動元件的動態(tài)響應(yīng)特性。 （ 4）各向同性 主手的各向同性主要是指在任何位置和姿態(tài)下動力學(xué)參數(shù)的一致性，如摩擦力、重力和慣性張量在不同位姿下的一致性，特別是慣性張量的一致性，它是主手位姿的函數(shù)，若其數(shù)值變化較大，則會造成同樣大小的反饋力，在力反饋操縱裝置處于不同位姿時給人造成不同的力感覺，因此，應(yīng)設(shè)法使驅(qū)動元件的力 /力矩控制信息中不 包含與位姿有關(guān)的信息或減小其影響。 （ 5）穩(wěn)定性 穩(wěn)定性是主 作者與從機(jī)器人之間的通信時延是影響遠(yuǎn)程機(jī)器人系統(tǒng)穩(wěn)定性的主要因素，時延降低了系統(tǒng)的穩(wěn)定性；基于現(xiàn)代控制理論的方法、基于虛擬現(xiàn)實(shí)的方法和基于網(wǎng)絡(luò)理論的方法有望消除或減小時延的影響。對于從機(jī)器人與作業(yè)對象碰撞沖擊造成的穩(wěn)定性問題，可設(shè)計一個自適應(yīng)力控制器，其中包括一個擾動觀測器和環(huán)境參數(shù)觀測器，當(dāng)環(huán)境剛性已知或工作過程中變化時，該控制器能夠適應(yīng)這種變化，保持良好的控制性能。 （ 6）人體工程學(xué)指標(biāo) 在人 人始終是工作的主體，人要完成監(jiān)視、控制、決策等功能。因此，在設(shè)計人 對人的特性進(jìn)行充分的考慮，只有這樣才能保證機(jī)的設(shè)計符合人的需要。人的感知是生理分析器工作的結(jié)果，其特征包括整體綜合性、選擇性、理解性、恒常性、適應(yīng)性、限值性、多樣性、模糊性、個體感知差異性等，因此，設(shè)計與人的手部直接接觸的力反饋操縱裝置時，除了考慮裝置的可操作性，即穩(wěn)定性、快速性、準(zhǔn)確性以外，還應(yīng)使反饋的力實(shí)時、精確、安全地反映到手部，尤其應(yīng)考慮適應(yīng)性、限值性等特征。作為力反饋操縱裝置，還應(yīng)考慮與操縱裝置相關(guān)的人的力學(xué)和幾何特性 ，如上肢向前后左右的推力和拉力極限值、活動范圍等因素。應(yīng)按照人體工程學(xué)原理進(jìn)行主手的結(jié)構(gòu)設(shè)計，考慮操作的舒適性、安全性、宜人性，設(shè)計適當(dāng)?shù)牟倏v空間，或通過設(shè)置不同的主、從位移比和力比，實(shí)現(xiàn)對人體肌力和運(yùn)動的放大和縮小，使操作者對于軟、硬不同的操作對象或操作空間較大的從機(jī)械手，既能保證力感覺的逼真又不致于產(chǎn)生疲勞感。對于力反饋操縱裝置一般要求滿足下列性能： 操縱桿末端的絕對運(yùn)動線速度小于 s，角速度小于 s，保證操作者的舒適安全； 手部的反作用力小于 100N； 由操縱桿傳遞至手部的功率小于 40W。 總之，為了實(shí)現(xiàn)力反饋操縱裝置的性能，通常要求力反饋操縱裝置具有適當(dāng)?shù)墓ぷ骺臻g且在工作空間內(nèi)無奇異點(diǎn)，低慣量、低摩擦、高剛性等特性，具有足夠大的反饋力幅值和帶寬，其形狀、大小及阻力應(yīng)適應(yīng)人的操作肌體解剖結(jié)構(gòu)與功能特點(diǎn) 10。 四川大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 遠(yuǎn)程機(jī)器人力反饋遙控器設(shè)計 11 構(gòu)設(shè)計 主手直接與操作者的手部交互，其結(jié)構(gòu)型式、尺寸、制造加工精度等直接影響其操作性能和對環(huán)境感知的逼真度。 1 結(jié)構(gòu)型式 串聯(lián)機(jī)構(gòu)各環(huán)節(jié)的累計誤差較大，運(yùn)動學(xué)正解容易，逆解復(fù)雜，精確的運(yùn)動控制難以實(shí)現(xiàn)，但工作空間大。并聯(lián)機(jī)構(gòu)是復(fù)雜的空間多環(huán)機(jī)構(gòu)，同串聯(lián)機(jī)構(gòu)相比，其構(gòu)件數(shù) 目多，構(gòu)件間存在嚴(yán)重的耦合關(guān)系，從而使動力學(xué)方程相當(dāng)復(fù)雜，工作空間范圍小，姿態(tài)變化幅度有限。并聯(lián)機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)逆解容易，但正解復(fù)雜，可以對平動與轉(zhuǎn)動實(shí)行解耦，有利于提高控制精度，而且機(jī)構(gòu)剛度大、承載能力大、無累計誤差，因而，基于并聯(lián)機(jī)構(gòu)的操縱裝置的設(shè)計研究越來越受到重視。串 年來出現(xiàn)了相應(yīng)的力反饋操縱裝置的研究成果。同構(gòu)式是指主 由度相同，從手按比例跟隨主手運(yùn)動，具有結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)動及控制較容易實(shí)現(xiàn)等特點(diǎn)，是國內(nèi)外研究的主流。但占用空間較大，只能適用單一的從機(jī)械手， 缺乏通用性。異構(gòu)式的主 者的運(yùn)動和動力對應(yīng)關(guān)系需在計算機(jī)中經(jīng)過運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)正、逆解算，將關(guān)節(jié)空間映射到操作空間，通過合理地選擇主、從手之間的力比和位置比，將其分配到操縱裝置的各個關(guān)節(jié)上，由各關(guān)節(jié)驅(qū)動元件產(chǎn)生操作者感知的力信息和從機(jī)器人的運(yùn)動信息。通常，控制算法較復(fù)雜，但運(yùn)動形式靈活多樣，通用性強(qiáng)。理想的力反饋操縱裝置應(yīng)能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)械結(jié)構(gòu)上解耦，從而簡化運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)解耦運(yùn)算問題，實(shí)現(xiàn)實(shí)時控制。 2 各向同性與結(jié)構(gòu)非奇異性 主手在不同的位形時應(yīng)具有力覺臨場感的各向同性。雅可比矩陣的 條件數(shù)反映了操作空間和關(guān)節(jié)空間之間速度和力線性傳輸?shù)母飨蛲阅芰?，對機(jī)構(gòu)本身的運(yùn)動控制特性有很大的影響。機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)尺寸與條件數(shù)的大小密切相關(guān)，條件數(shù)愈小，愈容易實(shí)現(xiàn)高精度的運(yùn)動控制，各向同性越好。當(dāng)條件數(shù)等于 1 時，機(jī)構(gòu)處于最佳的運(yùn)動傳遞性能，通常稱機(jī)構(gòu)的這一位形為各向同性。在確定結(jié)構(gòu)參數(shù)時，一方面應(yīng)使雅可比矩陣的條件數(shù)在關(guān)鍵工作位置處的數(shù)值盡量小，另一方面應(yīng)使其正常工作范圍處于條件數(shù)較小的區(qū)域內(nèi)，以保證它具有良好的運(yùn)動控制性能。當(dāng)機(jī)器人機(jī)構(gòu)處于某些特定的位形時，其雅可比矩陣成為奇異陣，行列式為零，這種位形稱 為奇異位形。當(dāng)機(jī)構(gòu)處于奇異位形時，其機(jī)構(gòu)具有多余的自由度，將失去控制，因此在進(jìn)行力反饋操縱裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)避開奇異位形。 3 其他 操作者感知的環(huán)境的力 /力矩信息受主手本身動力學(xué)特性的干擾，尤其當(dāng)各關(guān)節(jié)的慣量和摩擦較大時，力感知的精度和靈敏度將大為降低。為了減小系統(tǒng)誤差，實(shí)現(xiàn)高精度的力覺反饋，主手應(yīng)具有足夠的機(jī)械剛度，采用低慣性和低摩