（控制科学与工程专业论文）双边遥操作力反馈手控器研制.pdf

国防科学技术大学研究生院硕+ 学传论文 摘要 手控器是双边遥操作技术实现中的关键部分，作为人机接口设备，其性能好 坏直接影响双边遥操作的效率。本文设计了一种6 自由度通用型手控器，对手控 器的设计指标、手控器机构、检测驱动模块和控制算法进行了深入的研究。在考 察以往研制的各种手控器的设计指标的基础上，提出了通用型手控器设计须满足 的主要指标。以所提指标为准则，对手控器系统的各个功能模块的设计方法进行 了讨论。 1 设计了6 自由度手控器机构。基于d e l t a 并联机构设计的3 自由度平动平台 具有工作空间大、机构刚度高的优点，同时3 自由度转动平台的设计也充分考虑 了人手操作的舒适度和控制算法的复杂度等指标。使用s o l i d w o r k s 软件对机构进 行了三维构件设计和装配。按照s o l i d w o r k s 中的三维构件生成了工程图，并制造 了满足设计要求的手控器机构。 2 手控器的运动学分析和静力学分析。本文建立了手控器位置正解和逆解算 法，在m a t l a b 环境下得到了手控器的工作空间仿真图形；得到了手控器移动平台 的速度雅可比矩阵和力雅可比矩阵，绘制了速度特性和静力学特性图，验证了在 选取适当杆件参数的情况下，提出的通用式手控器适合大位移位置控制。使用雅 可比矩阵进行计算得到了满足手控器设计指标的驱动器和传感器选取参数。 3 控制系统设计与实现。为了满足手控器轻型化、控制简单、选型方便的要 求，使用伺服电机和力力矩传感器实现手控器检测驱动模块的设计。力控制器的 设计基于零力控制方法，在一台工控机上实现。使用m a t l a b 软件的s i m m e c h a n i c s 工具箱搭建了一个实现3 位平移自由度的机械手，以此仿真机械手为从端，应用 双边p d 算法设计了双边控制系统。在双边控制系统中引入3 秒时延的情况下，双 边遥操作实验结果表明手控器操作直观有效。 主题词：遥操作手控器力反馈并联机构运动学分析静力学分析 主从双边控制 第i 页 国防科学技术人学研究生院硕十学位论文 a b s t r a c t h a n dc o n t r o l l e ri sak e yp a r ti nt h er e a l i z a t i o no fb i l a t e r a lt e l e o p e r a t i o nt e c h n i q u e a sah u m a n m a c h i n ei n t e r f a c e i t sp e r f o r m a n c ea f f e c t st h ee f ! f i c i e n c yo fb i l a t e r a l t e l e o p e r a t i o ns y s t e md i r e c t l y a g e n e r a l i z e d h a n dc o n t r o l l e r w i t h6 d e g r e e o f - f r e e d o m ( d o f ) i sd e s i g n e d s i m u l t a n e o u s l y ，t h ei s s u e so fh a n dc o n t r o l l e r d e s i g n ，i n c l u d i n gt h ed e s i g ni n d e x e s ，m e c h a n i s m ，m e a s u r i n ga n dd r i v i n gm o d u l e s ， t o g e t h e rw i t hc o n t r o la l g o r i t h m ，a r es t u d i e d a f t e rr e v i e w i n gt h ed e s i g ni n d e x e si n p r e v i o u sd e s i g no fh a n dc o n t r o l l e r s ，t h i sp a p e rp r o p o s e ss e v e r a lk e y i n d e x e ss u i t a b l ef o r au n i v e r s a lh a n dc o n t r o l l e r w i t ht h e s ei n d e x e sa sp r i n c i p l e s ，t h ef u n c t i o n a lm o d u l e so f t h eh a n dc o n t r o l l e ra r ed i s c u s s e d 1 d e s i g no fa6 d o fh a n dc o n t r o l l e rm e c h a n i s m t h ep l a t f o r mw h i c hi sd e s i g n e d b a s e do nad e l t ap a r a l l e lm e c h a n i s mw i t h3t r a n s l a t i o n a ld o fh a ss a t i s f y i n gw o r k s p a c e a n dp r o p e rr i g i d i t y a n dt h ep l a t f o r mw i t h3r o t a t i o n a ld o fi sd e s i g n e dw i t hs u f f i c i e n t c o n s i d e r a t i o no ft h ec o m f o r to fh a n d l i n ga n dt h ec o m p l e x i t yo fc o n t r o lm e t h o d t h e m e c h a n i s m sa r eb o t hd e s i g n e da n da s s e m b l e du s i n gt h es o l i d w o r k ss o f t w a r e b a s e do n t h ec o m p o n e n t sp r o v i d e db ys o l i d w o r k s ，t h ee n g i n e e r i n gp r i n to ft h em e c h a n i s m sa r e d r a w n ，a n dt h em a c h i n ew h i c hf i tt h ed e s i g nd e m a n d sa r eb u i l t 2 k i n e m a t i ca n a l y s i sa n ds t a t i cf o r c ea n a l y s i s i nt h i st h e s i s ，t h ef o r w a r da n d r e v e r s es o l u t i o no fp o s i t i o na n a l y s i si sp r e s e n t e d ，a n das i m u l a t i o ng r a p ho ft h eh a n d c o n t r o l l e r sw o r k s p a c ei sg o ti nm a t l a be n v i r o n m e n t n eg r a p he m b o d y i n gt h ev e l o c i t y f e a t u r ea n ds t a t i cf o r c ef e a t u r ei sd r a w na f t e ra c h i e v i n gt h ev e l o c i t yj a c o b i a nm a t r i xa n d t h ef o r c ej a c o b i a nm a t r i x i ti sc o n f i r m e dt h a tt h eh a n dc o n t r o l l e rf i tp o s i t i o nc o n t r o l i n t h ec a s eo fl a r g ed i s p l a c e m e n t t h ep a r a m e t e r sf o rd r i v e rs e l e c t i o na n ds e n s o rs e l e c t i o n a r ef i g u r e do u tu s i n gj a c o b i a nm a t r i x 3 d e s i g na n dr e a l i z a t i o no fc o n t r o ls y s t e m m e a s u r i n ga n dd r i v i n gm o d u l e s a r e d e v e l o p e du s i n gs e r v em o t o ra n df o r c e t o r q u es e n s o r ，e m b o d y i n gt h ep r i n c i p l eo fl i g h t w e i g h t ，s i m p l ec o n t r o lo fh a n dc o n t r o l l e ra n de a s ys e l e c t i o n f o l l o w i n gt h ei d e ao f z e r o f o r c ec o n t r o l ，af o r c ec o n t r o l l e ri sd e s i g n e do nai n d u s t r i a lp e r s o n a lc o m p u t e r a v i r t u a lm a n i p u l a t o rw i t h3t r a n s l a t i o n a ld o f ，s e r v i n ga ss l a v eh a n d ，i sd e v e l o p e du s i n g s i m m e c h a n i c s ，w h i c hi sat o o l b o xo fm a t l a b a p p l y i n gt h eb i l a t e r a lp da l g o r i t h m ，a b i l a t e r a lc o n t r o ls y s t e mi st h e na c c o m p l i s h e d w i t had e l a yo f3s e c o n db e i n gi m p o s e d o nt h eb i l a t e r a lc o n t r o ls y s t e m ，e x p e r i m e n t a lr e s u l t so fb i l a t e r a lt e l e o p e r a t i o ns h o wt h a t m a n i p u l a t eo ft h eh a n dc o n t r o l l e ri sd i r e c ta n de f f e c t i v e k e yw o r d s ：t e l e o p e r a t i o n h a n dc o n t r o l l e rf o r c ef e e d b a c kk i n e m a t i c a n y l i s i s s t a t i cf o r c ea n a l y s i sm a s t e r - s l a v e b i l a t e r a lc o n t r o l 第i i 页 国防科学技术大学研究生院硕十学何论文 表目录 表lg a 参数表3l 表2d e l t a 机构尺度综合参数3l 表3 手控器移动平台设计参数3 6 表4 力、力矩传感器参数表3 8 第l v 页 国防科学技术人学研究生院硕士学位论文 图目录 图1 遥操作系统示意图1 图2 双边控制系统示意图2 图3v i s h e d 6 串联机械手3 图4 并联机构手控器4 图5 混联机构手控器4 图6 手控器系统组成l o 图7d e l t a 机构。l6 图8 转动平台概念图l6 图9 移动平台装配图1 8 图1 0 移动平台基座1 8 图l l 主动杆和从动杆1 9 图1 2 活动板1 9 图1 3 主动轴和从动轴1 9 图1 4 主动轴支架和电机支架2 0 图1 5 转动平台装配图2 0 图1 6 转动平台基座2 0 图l7u 型框2 l 图1 8 十字框2 l 图1 9 非偏置式d e l t a 机构运动学模型2 3 图2 0 建立支链坐标系2 4 图2 1 运动学简化模型示意图2 5 图2 2 变换得到的三棱锥2 6 图2 3 工作空间( a 上表面；b 下表面) 2 9 图2 4 高度3 0 0 m m 水平面上速度特性3 2 图2 5 高度4 0 0 m m 水平面上速度特性3 2 图2 6 高度5 0 0 m m 水平面上速度特性3 2 图2 7 高度3 0 0 m m 水平面上速度特性3 3 图2 8 高度4 0 0 m m 水平面上速度特性3 3 图2 9 高度5 0 0 m m 水平面上速度特性3 3 图3 0 高度3 0 0 m m 平面上最大驱动力矩分布3 3 图3 1 高度4 0 0 m m 平面上最大驱动力矩分布3 4 图3 2 高度5 0 0 m m 平面上最大驱动力矩分布3 4 第v 页 国防科学技术人学研究生院硕十学位论文 图3 3 检n 驱动模块结构图3 5 图3 4 减速器g p 5 2 c 、电机r e 4 0 和编码器3 6 图3 5 电机驱动器a d s 5 0 5 3 6 图3 6s y n q n e t 运动控制卡3 7 图3 7 六维力、力矩传感器3 8 图3 9 单轴力矩控制控制框图3 9 图4 0 双边p d 控制方法原理一4 l 图4 l 主从双边控制方法流程图4 l 图4 2 主手控制器系统结构。4 3 图4 3 控制器软件结构4 3 图4 4 从端机械手模型图4 4 图4 5 远端机械手模拟4 5 图4 6 双边控制仿真模型4 5 图4 7 三自由度位置跟踪图4 6 图4 8 反馈力3 维数据4 6 第v i 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文题目：丞垫量堡佳左区堡圭蕉墨婴剑 学位论文作者签名：垒虚! ! 童日期：z 口b 涉年7f 月de t 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定。本人授权 国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 文档，允许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书。) 学位论文作者签名： 作者指导教师签名： 日期：劢罗年f 月1 0 日 日期：1 妒p 年，f i - - j ，日 国防科学技术大学研究生院硕十学何论文 第一章绪论 1 1 课题概述 1 1 1 课题来源 本学位论文课题来源于8 6 3 课题“主从双边控制研究”。 1 1 2 课题的提出及意义 随着技术的不断进步，人类的活动空间在不断地向太空扩展。在人类走向太 空的过程中，空间站的建立、维修，卫星的回收、释放等工作会越来越多【1 l 【2 1 。空 间机器人出现以前，所有这些工作都依靠宇航员来完成。因为宇航员的舱外作业 需要庞大而复杂的环境控制系统、生命保障系统、物质供给系统、救生系统的支 持，所以成本十分高昂。由空间机器人代替宇航员进行太空作业不仅可以使字航 员避免在恶劣太空环境中工作时可能受到的伤害，还可以降低成本，提高空间探 索的效益，因此从2 0 世纪6 0 年代至今，空间机器人的应用领域在不断扩大，所 承担任务的复杂性也在不断增加，其精度要求也越来越高。 为了适应操作环境的未知性、操作任务的复杂性、操作要求的精密性，空间 机器人需要有较强的环境适应能力。但受现有技术( 传感器技术、人工智能技术、 控制技术等) 水平的限制，能够在复杂、非结构化的环境中全自主工作的智能空 间机器人在相当长的一段时间内使难以实现的。一个现实的选择就是从全自主方 式转向局部自主方式，即有人参与的机器人局部自主方式i 副【5 j 【8 j 。 镬作者 遵信l 奉节 一岳一 一- 图i 遥操作系统示意图 遥操作是一种典型的有人参与的机器人局部自主控制方式。如图1 所示，遥 操作系统中操作员在本地端通过了解远端信息( 视觉、力觉) 从而做出决策，并 通过操作主手来控制远端的机械臂( 从手) 的运动。由于结合了人类对复杂任务 的决策能力和机器人在危险环境中的作业能力，遥操作系统可以完成复杂的空间 第l 页 国防科学技术人学研究生院硕十学位论文 任务。 双边控制方法中，本地端和远地端都在一个控制回路中，两者之间直接相互 作用。双边控制系统的结构如图2 所示【4 】，系统本身包括以下几部分：1 ) 主手及 其控制器；2 ) 主从端之白j 的通讯环节；3 ) 从手及其控制器。由于不需要对从手 的运动进行预测或显示，双边控制方法能应用于非结构化且未知的从端环境。反 馈回主端的从手与环境的作用力使得主端操作者能感知从端环境，操作者能够根 据感受到的从端环境决定下一步动作，从而把操作者的智能投射到远端，使得系 统能够完成一些很复杂的任务。 图2 双边控制系统不意图 上图中的主手即为双边控制系统中具有测量操作员手臂位姿与实现力反馈双 重功能的接口装置。目前这种接口装置可以大致分为手控器和数据手套两类。数 据手套基于人体手指关节运动测量和手指力觉l 临场感的实现，它不易测量人手臂 关节的变化，并且缺乏有效的手臂力觉反馈，另外，在远端机器人的工具坐标系 内观察它的工具作业运动，可以发现如果不考虑工具的位姿，则执行方机器人的 作业大多是单自由度或两自由度的：如钻孔( 转动自由度) 、抓取( 平移自由度) 等，因此，除了位姿控制所需的自由度外，本地机器人只要再外加一两个自由度 就能控制从机器人的所有运动，过多的自由度反而会引起不便。这样选择手控器 作为交互式远程操作技术中的人机接口装置是很自然的。在遥操作系统中，手控 器是当前最重要和最有效的设备，其性能的好坏直接影响到双边控制系统的操作 性能及可靠性1 6 j 。 1 2 手控器研究综述 手控器发展历史可以追溯到1 9 4 9 年美国a n l 实验室研制的纯机械结构的m 1 型主从式遥操作机上的同构式主手【_ ”。早期手控器的设计往往是针对某一特定应用 的，当初的这种设计思想使得科研人员在不同的遥操作项目中为设计功能相似的 手控器花费了大量时间，因此现代手控器越来越重视通用化。由于完成任务的不 确定性，通用手控器的设计大量使用了与远端操作器不同的机构，即设计异构式 手控器。异构式思想使研制通用式手控器成为可能，同时也使得手控器的控制变 得复杂了。到现在为止，已经有数以百计的手控器面世。这些手控器种类繁多， 第2 页 国防科学技术人学研究生院硕1 。学位硷文 既有简单的开关式控制盒，也有通用的6 自由度力反馈手控器，主要应片j 于水下 机器人和空间飞行器的控制p 。 当今手控器大多使用连杆机构设计，他们的主要构件都是牛下件，因此，机构 也主要由转动副构成。按照不同的结构形式t ，以分为串联式、并联式和混联式。 a 串联式手控器 传统的手控器多为串联式的，它的前一绂予机构的输出构件是后一级子系统 的输入构建。典型的串联式手控器如图3 所示，它是德国柏林技术大学电子工程 于计算机科学系在2 0 0 2 年研制的l l “。这种手控器的机械结构由多个单白由度的机 构首尾串联而成，机构与机构闯的联接就是手控器的关节，因此机构的组成方式 最简单，容易设计，串联机构的每个串联机构的每个组成单元间的相互约束很少 因此，关节的活动空间很大。图中介绍的手控器每个关节的活动空间都超过了1 8 0 度。与机架相连的第一个关节甚至可以实现3 6 0 度范围内的运动，因此这种设计 的手控器第二个也是最主要的优点是有很大的工作空间，便于遥操作机器人的运 动映射这是并联机构无法比拟的：另外，串联机构手控器的各单元在空间尺寸 上没有相互重叠、交叉或平行的部分，便于手控器上其它元件的安装和设计，便 于采用直流伺服电机直接驱动方式，简化了传动链的设计和非线性误差。 3v i s h e d 6 串髓机| 1 0 v 下 串联机构手控器的缺点也是明显的，首先是它的串联机构的工作空间内有多 个奇点，机构在奇点附近的传动性能也将迅速变坏，必须采取措施清除，这就有 可能降低手控器的操作功能，并使控制系统很复杂，第二个缺点是山于是悬臂结 构，为了得到一定的刖度导致了结构比较笨重，也增大了机构的质量和转动惯量i 第= 个缺点是串联式手控器机构刚度较低，这不利于形成有效的力反馈。在越来 越重视力觉反馈的双边控制系统中这无疑_ 人大限制了串联式手控器的应用。 b 并联式手控器 并联机构多是山所谓的五杆机构并联而成的，一个典型的并联机构手控器如 图4 所示，它是韩国p u s a nn a t i o n a lu n i v e r s i t y 电子上程系在2 0 0 2 年研制的”“。这 种机构的特征是用三支结构自山度完全相同的多白山度的连杆机构圆周按1 2 0 度 第3 贞 闺防科学技术人学研究生院硕卜学忙论文 问隔并联成一个运动平台，靠各分支日j 的相互约束达到消除过多的自由度的闩的。 手控嚣设汁- p 为减, l , o t 构重力影响，有轻犁化的要求，而般轻型机械中驱动兀 件的重量又- 与有很显著的比例。图4 所不并联机构的一个显著特点就是实现了所 有的驱动元件( 电机) 都安装往机架上，这样就有效地减轻了手控器中运动部件 的重景，减少了机构运动的惯性。并联机构的另一个优点是机构集成安装在一个 底座上，枷局非常紧凑。并联机构手控器还有可能实现机构平动与转动的解耦。 这一特点使得手摔器的运动控制和力反馈变得比较简单。并联机构还有强度高的 优点。并联机构的缺点是机构复杂，不仅给设计带来困难，而且复杂的运动机构 中，运动副的摩擦会显著增加，这些摩擦力是构件空间位置的函数，并且相互耦 合，往往难以在设计中控制，也小容易在设计后由驱动元件补偿。当机构制造精 度较差时，在某些位置还有使得构件运动自锁，再者，并联机构的运动空删较小。 c 混联式手拄器 l 剞5 m 联机构下控器 为了综合串联机构工作卒叫大与并联机构结构紧凑强度高的优点，又有了所 谓的混联机构。如图5 所不为一种h 加拿大m c g i l l 大学为职能机器研究叶1 心的 第4 页 国防科学技术大学研究生院硕十学何论文 v h a y w a r d 在研究人抓墩细长杆状( 如钏笔) 物体时的姿势，并将其归结为5 种基 本姿势，设计了这种有可能用于远程外科手术的机构1 1 6 j 。图5 中，一个两自由度 的空间平行四边形机构a b c d 和一个单自由度的转动副d c r s 组成一个设计者称 为r s r s 的模块，机构r s q p 是一个三自由度的球面运动机构，操作者在e 处操 作。这个机构在一定程度上符合人机工学原理。由于所研究的物种姿势基本上只 有手腕的运动，这种机构的运动空间还是相当大的。 从图5 中可看出，这个机构有7 个两自由度转动副，4 个单自由度转动副， 三个四边形机构，它的结构相当复杂，考虑到人手在这几种姿势下完成的工作都 是相当精细的，所以这种手控器对力反馈控制提出了很高的要求。 1 3 本文研究内容及论文组织结构 文献检索表明，虽然已经有上百种手控器面世，但手控器还没有象工业机器 人一样形成一门专门的学科，它的设计理论有待探讨。尤其在国内，不仅自主开 发研制的手控器很少，而且从事研究的单位和发表的论文也很少，在手控器应用 日益增多的情形下，研究和完善手控器的设计理论是非常有必要的。 本文以8 6 3 高技术项目“主从双边控制研究 为背景，以提高双边控制系统 操作性能和降低操作员负担为目标，研制了通用型力反馈手控器，讨论了手控器 机构的设计和力反馈控制方法，提出了一种6 自由度混联设计方案。各章的主要 内容如下： 第二章讨论手控器设计的主要指标，并在借鉴以往手控器设计指标的基础上 提出了应用于大位移力反馈控制的6 自由度通用型手控器设计方案。手控器系统 可分为机构本体和控制器两个部分。机构本体机构是手控器系统的基础部分。控 制器由一台工控机搭载运动控制板卡和信号采集板卡构成，运行数据解算程序和 运动控制程序，并通过通信程序发送手控器位置速度信息和接收反馈力或“虚拟 反馈力信息。两个子系统共同构成了整个手控器系统。 对手控器系统的两个子系统进行了分别讨论，确定了使用少自由度并联机构 进行手控器机构设计，使用伺服电机作为驱动器，使用腕力传感器测量力力矩信 号；分析了手控器操作的三种工作模式，借鉴力位置混合控制思想讲三种控制模 式统一到同一种控制律下。 第三章对手控器的机构进行了详细设计。根据少自由度并联机构具有足够的 工作空间和合适的机构刚度，确定了使用成熟的d e l t a 并联机构设计3 自由度移动 平台，而使用串联机构设计3 自由转动平台，两者共同构成手控器的6 自由度机 构本体。使用s o l i d w o r k s 软件绘制了两个平台的零件三维模型，得到了装配体， 并绘制相应的工程图。 第5 页 国防科学技术人学研究生院硕十学何论文 第四章对手控器的机构进行了运动学利静力学分析，主要分析了d e l t a 机构的 工作空间特性、速度特性和静力学特性。在m a t l a b 环境中编制仿真程序得到了满 足手控器设计指标的杆件参数、传感器和驱动器参数，为检n 驱动模块的设计与 实现提供了理论支持。 第五章设计了手控器系统的检n 驱动模块和控制器子系统。手控器系统使用 伺服电机提供力矩输出，为了满足手控器操作的需要还使用了减速器，同时用光 电码盘测量角速度，使用电位计测量角位置，使用6 d 腕力传感器测量3 自由度移 动平台的力信号和3 自由度转动平台的力矩信号。基于零力控制方法设计了力控 制器，使用双边p d 算法实现双边控制器，以3 维虚拟环境为从端设计了力反馈实 验，实验结果表明手控器操作直观有效。 第6 页 国防科学技术人学研究生院硕十学位论文 第二章手控器设计指标及系统结构 2 1 手控器的设计指标 由于双边遥操作机器人系统的应用场合广泛，因此对于通用型手控器仍不能 过分强调其通用性，需根据其应用领域采用合适的性能指标。不过，从功能上讲， 手控器的作用主要包括两个方面：一方面，可以将操作员手部的位置和姿态信息 实时、准确地传给远端的从机器人操作机；另一放面，将远地从机器人操作机与 环境的相互作用力力矩或“虚拟 力力矩信息反馈给操作员手部，为操作员提供 力觉临场感。总体上手控器应该具有结构简单、紧凑、操作灵活轻便，摩擦和惯 性小，合适的操作空间和出力，通用性强等特点。同时手控器是双边遥操作系统 的人机接口，工作时手控器末端始终与操作员手部接触，因此手控器设计既要满 足一般机电一体化装置的设计指标，同时又必须满足人手操作的特殊要求。下面 从几个方面，具体阐述手控器的设计指标问题。 2 1 1 手控器的自由度数 同构式手控器采用关节一关节控制，主从机械手间有相同的自由度数和结构 布局；而异构式手控器由于要实现通用性，主从机械手间的结构和自由度数可能 不同。文 6 】中提出必须从两方面研究手控器的自由度数：一方面，手控器是人手 位姿测量装置，必须具有满足位姿测量的要求的自由度数目；另一方面，手控器 要有效控制远端机械手，也必须提供相应的自由度数目。 人体手臂和手腕在空间中具有3 个平移自由度和3 个转动自由度，但手指有 2 1 个自由度【6 】。考虑到远端从机械手完成的任务通常为单自由度的，如抓握、旋 转( 钻孔、拧紧) 等，因此对在手控器上设置一个自由度对就能控制远端机械手 的术端工具的动作。综合两个方面，选择设计手控器具有6 个基本自由度，同时 设置控制键来控制从机械手末端工具的动作是合适的。 2 1 2 工作空间和转动能力 手控器的工作空间指的是手控器末端能够到达的工作区域，而转动能力是评 价手控器能否完成某一任务的重要性能指标【2 3 】。手控器工作时，手控器的末端的 位黄和姿态是由操作员手部驱动的，因此手控器的工作空间指标和转动能力指标 与人手的特性密不可分。同时手控器的工作空间和转动能力与应用在手控器上的 控制方式也密切相关。文【2 4 】中根据手控器工作空间和转动能力的大小以及应用控 第7 页 国防科学技术大学研究生院硕十学位论文 制方式的不i 州，将手控器分为有限位移力反馈手控器( l i m i t e dd i s p l a c e m e n tf r h c ) 和大位移力反馈手控器( l a r g ed i s p l a c e m e n tf r h c ) 。 有限位移力反馈手控器的工作空间在x y z3 个移动方向上活动范围小于 7 6 m m ，在3 个转动方向上活动范围小于4 5 0 。这种设计的力反馈手控器通常使 用基本的速率控制模式。人类操作员控制远端机械手的速度，使机械手末端靠近 目标。当远端机械手末端与目标足够接近后，有限位移力反馈手控器可以实行有 效的位置控制。在需要将物体进行大范围转移的场合，这种方案非常有用。它的 主要缺点是位置控制模式的性能有限，在装配和维修任务中，这种手控器的效率 低下。 大位移力反馈手控器拥有更大的工作空间，在x y z3 个移动方向上活动范围 大于7 6 m m ，这一范围甚至可以达到覆盖整个人手的可达空间，在每个移动方向 上大约为3 5 5 m m 。这种设计保证了力反馈手控器在速率控制模式和位置控制模 式下都可以进行良好的操作。大位移力反馈手控器可以在远端机械手末端作大范 围移动时使用速率控制模式，而且在完成位置控制任务时也可以保证工作的效率。 这种设计的缺点在于整体机构较大，也比较沉重。 显然，设计大位移力反馈具有更广泛的通用性。解决整体机构体积大且沉重 的问题考虑将3 自由度移动平动机构与3 自由度转动机构分开设计，使用双手操 作方案。 2 1 3 位置检测精度 通常，操纵器上的位移传感器实时检测手部的运动并将位移信息作为控制信 号传送给从手，因此，位移传感器的检测精度决定了从手跟踪主手位移的精度。 根据具体的作业对象，对位置精度的要求不同，比如用于隧道顶部的锚杆钻机等 工程机械的遥操作位置精度为厘米级，而用于主从式的遥微操作机器人的位置精 度则为微纳米级。 如果从主从映射的角度出发考虑手控器测量精度，一般工业机器人的制造精 度较高，它的运动精度通常在o o l m m 这个数量级上。一般来讲，测量精度要高于 控制精度，那么是否因此就要求主手的测量精度也要与此相适应呢? 这个问题最 好的回答仍然是要回到手控器的本质上。手控器是一种人手的测量装置，那么这 种装置的测量精度只要与人手的运动精度相适应就足够了，过高的测量精度并不 能更多包含人手的运动特征。那么，是否意味着用这种方式操作的机器人不可能 达到一个很高的运动精度呢? 可以肯定地回答，手控器的测量精度并不唯一决定从 手的工作精度。比如，人手的运动精度虽然只能到毫米级，但人仍然可以将配合 间隙为o o l m m 左右的销顺利地装配到孔中，这种情况下，人手并不能也不需要估 第8 页 国防科学技术大学研究生院硕十学位论文 计出自身的运动精度，而是依靠力的感觉。因此，参考以往手控器的设计精度， 文中手控器设计的位置测量精度可以确定如下：3 自由度定位精度达到5 m m ，3 自 由度转动精度达到1 0 。手控器末端在工作空间中任一位形向任意方向输出的最大 的移动速度达到4 0 m m s ，输出的转动速度达到3 0 r p m 。 2 1 4 力反馈的范围 从机械手反馈至人手的作用力应处于适当的范围，力的下限与其机械结构、 摩擦力、惯性力有关。研究表明，人手能够感知的最小阈值力大约是1 7 0 0 9 69 1 2 5 j ， 因此操纵器的力觉阈值小于人手的最小阈值将是设计的目标之一。同时具有良好 力觉临场感效果的手控器，它的力反馈要能给操作者一个明显可分辨大小和方向 的力觉，显然，可调空间越大，人的分辨感受越明显，但是过大的力会使操作者 很快疲劳，还可能造成对人体的伤害，所以应当使手控器的最大力觉反馈在人体 手臂的可承受的范围内，并有一个既明显又相对舒适的感觉。近几年，国外有些 取1 0 2 5 n 。考虑到设计的大位移力反馈手控器机构较大，反馈力对驱动器的输出 力矩要求较高，生成反馈力大小定为1 5 n ，生成反馈力矩大小定位1 n m 。 2 1 5 控制周期 手控器作为一种接口设备，在控制环路中一端与人类操作员接口，一端与远 端机械手接口，其控制周期的确定需考察人类力觉感受和远端机械手控制两个需 要。 人手具有在不同的层次上感知信息的能力，具有触觉反馈( 与物体接触时对 压力的感觉) 、肌肉力觉反馈( 对肌肉收缩和拉伸的感觉) 和运动觉反馈( 对手 部进行与身体的相对运动的感觉) 2 4 1 。人的肌肉力感觉和运动觉约可达到 2 0 3 0 h z ，而触觉可以感受高达3 2 0 h z 的信息。为了使人类操作员在操作手控器时 感受平滑，手控器的控制频率应设计的更高。同时，遥操作控制环路要求控制周 期越小越好。结合当前传感器水平和控制器速度，将l m s 作为设计手控器控制周 期的目标是合适的。 2 2 手控器系统结构 如图6 所示，手控器系统由手控器机构和控制器外加控制面板组成。手控器 机构实现将操作员手臂位姿转化为手控器广义坐标：控制器的检n 驱动部件采集 广义坐标下的位置和速度值，同时驱动器输出力矩，形成需要的反馈力，通过手 控器机构直接作用于操作员手部，为操作员提供力觉临场感。控制器的数据解算 第9 页 国防科学技术人学研究生院硕士学位论文 和力位控制程序，使用广义坐干，j i 空l 瑚下的位置和速度信息得刽操作空间运动控制 命令，同时结合双边控制系统发出的反馈力或“虚拟 反馈力信息执行位置力控 制。 7 、 - 。一一。一 、，控制面板7 、 ：_ _ _ _ _ 一 儿 2 2 1 手控器机构 图6 手控器系统组成 手控器系统中，手控器的机构本体与操作员直接接触，将操作员手臂空间位 姿的变化转换为机构关节角的变化，使其变为可以测量的量；同时手控器系统生 成的反馈力也是通过手控器机构直接作用于人手。可以看到，手控器机构的类型 对测量精度和力反馈性能有着直接的影响，因此手控器本体是手控器系统的基础 部分，也是手控器系统的关键部分l l 。 手控器大多使用连杆机构进行设计，其机构类型大致可以分为三类：串联机 构、并联机构和混联机构。串联机构具有工作空间大、控制简单的优点，但存在 累计位置误差，刚度差，不利于力反馈的实现；而并联机构运动精度高，刚度大， 是实现力反馈更好的平台，但由于其机构自由度耦合的本质，它的工作空间较小 且控制比较困难。两者具有明显的对偶性质，优缺点明显i l 引。混联机构兼具串联 和并联机构的长处，根据不同的设计方案，可以不同程度的平衡工作空间和机构 刚度两个重要指标。国内比较有代表性的手控器，如哈尔滨工业大学研制的双并 联主手1 9 1 和东南大学研制的h c 0 1 型通用型手控器【2 0 l 【2 u 都是采用这种设计思路。 另一方面，从运动学和控制学上，设计要求手控器的机构要实现手控器平动和转 动的解耦。实践表明，只有遵循这一原则的机构才能有简化计算的可能【2 1 1 。 所设计的通用型手控器将具有3 个自由度的平动平台与具有3 自由度的转动 平台，共同构成基本的平动与转动解耦的6 自由度运动空间。手控器操作把手上 安装控制按钮，用来控制远端机械手末端的运动。为了降低移动平台的惯性，手 控器采用移动平台与转动平台分体式设计，即转动平台不安装在移动平台末端。 第1 0 页 国防科学技术人学研究生院硕十学位论文 手控器工作时，操作员进行双手操作，而不是通常的由操作员进行单手操作手控 器的6 个自由度。这种设计在保持操作直观性的条件下，具有明显的优点。 2 2 2 控制器 控制器为一台搭载相关功能卡的工控机，运行v x w o r k s 嵌入式操作系统，接 收信号采集板输入的力位检测信号，解算形成操作员的操作指令，实现手控器运 动控制算法模块和通讯模块等各种软件模块，实时计算控制指令，调用检测驱动 模块接口，控制六自由度手控器在操作员的作用下平稳运动。 2 2 2 1 检测驱动模块 手控器是遥操作系统中的人机接口，是一个典型的机电系统。手控器的机械 机构实现了从人手的自然运动到手控器关节运动的转换，从而将人体手臂复杂的 空间运动分解变换为单一可测的机器人关节运动，必须对这些运动进行测量，才 能计算出人体手臂的空间运动位姿、速度和加速度。同时，手控器机构作用于操 作员手部的反馈力，须由动力系统输出相应的力矩才能形成。手控器的检测驱动 模块是手控器的神经中枢，由传感器、数据采集电路、驱动器和驱动控制电路组 成。 ( a ) 驱动器 通常，手控器的运动由操作者手动驱动，各关节驱动机构将力觉临场感提供给 操作者，是为操作者提供力感知的关键部件。驱动机构的结构很大程度上决定了 操纵器本体的结构，而驱动机构的类型又与检测控制系统的控制策略密切相关。 传统的驱动方式有液压、气动或电机驱动2 2 1 。下面简单回顾一下各种驱动器的特 点： 液压驱动器 液压驱动器得力体积比较大、响应快，即在相同体积的条件下可以产生更大 的力。同时，液压驱动器还具有良好的刚度，可以实施位置和速度控制。但是液 压驱动器需要一套专门的泵站，而且存在漏油的问题。 气动马达 气动马达可以实现柔性、安全、紧凑、重量轻，而且清洁不污染环境，适合 作便携式的操纵器。但由于气体的可压缩性较大，因此很难实现精确的位置控制。 电气马达 目前，机器人领域使用的驱动器7 0 为电气马达。下面列举了一些使电机在 工业中广泛应用的优点： 高可靠性 低摩擦 第11 页 国防科学技术大学研究生院硕十学位论文 结构紧凑，大小、体积、重量适中的情况下输出功率可以满足一般要 求，具有高的力矩重量比 不需要经常维护 运动精确，易控制，运行时噪音小 寿命长 可见，电力马达体积小，质量轻，效率高，易于控制，技术成熟，市场供应 充足，能够满足各种情况下的需求，是很好的选择。缺点是输出力矩较小，需要 加装减速器，提高电机的输出转矩。可喜的是与直流电机相配套的减速器也有系 列化生产，因此直流电机取材方便。 ( b ) 力传感器 机器人力传感器是智能机器人最重要的传感器之一。目前力传感器在机器人 上的应用主要分为三类：1 ) 在机械手臂术端与手爪之间安装腕力传感器，2 ) 在机 械手臂各个关节上安装的关节力矩传感器，3 ) 机械手手爪上使用的指间力传感器。 腕力传感器的安装简便，无需对机械手结构进行任何改造，目i j 的力控制系统大 多采用基于腕力传感器的结构。我们也采用了