【毕业学位论文】（Word原稿）远程机器人力反馈遥控器设计-机械设计制造及其自动化

本科生毕业论文（设计） 题 目 远程 机器人力反馈遥控器设计 学 院 制造科学与工程学院 专 业 机械设计制造及其自动化 学生姓名 学 号 0543021248 年级 2005 级 指导教师 教务处制表 二九 年 六 月 十 日 四川大学本科毕业设计 远程机器人力反馈遥控器设计 I 远程机器人力反馈遥控器设计 机械设计制造及其自动化专业 学生 指导老师 摘要： 远程机器人由于可以代替人在极限环境下进行作业而受到越来越多的重视和研究，力反馈遥控器对于提 高远程 机器人的操作性能和工作效率具有十分重要的意义。论文对力反馈遥控器进行了整体设计。首先，分析了当今力反馈技术以及力反馈装置的现状，在普通遥控器的基础上，安装了力矩电机和精密电位计，设计成为力反馈装置。其次，对遥控器控制系统的硬件进行了设计。本遥控器的单片 机选用 8051 芯片，实现对编码器的信号进行处理，以及对力矩电机的控制。单片机系统与 系统的通信接口采用 行接口，论文设计了其接口电路，同时还进行了电动机的驱动电路、键盘接口电路以及单片机抗干扰的设计。再次，对遥控器部分驱动程序进行了设计，保证遥控器功能的实现。最后，用 设计了遥控器的外形。本论文设计是遥控器以实物为基础进行设计的，理论上能够实现对机器人的力反馈遥控操作。 关键词： 远程机器人 力反馈 单片机 遥控器 四川大学本科毕业设计 远程机器人力反馈遥控器设计 录 第一章 绪 论 . 1 言 . 1 题的目的和意义 . 1 程机器人的总体分析 . 2 程机器人的构成 . 2 课题机器人从手结构 . 3 向力反应 . 4 文研究内容 . 4 第二章 力反馈技术的分析 . 5 反馈装置的分类 . 5 反馈装置的特点 . 7 构型式 . 7 反馈实现方式 . 8 反馈操纵装置的控制方式 . 8 反馈操纵装置性能指标 . 8 反馈装置的关键技术分析 . 9 . 9 构设计 . 11 动方式 . 12 测与控制系统结构 . 12 第三章 遥控器控制系统分析 . 14 信模块 . 14 节信号采集模块 . 15 反馈模块 . 15 助指令模块 . 15 第四章 力反馈遥控器硬件设计 . 16 口系统 . 17 结拓朴结构 . 17 口芯片选取 . 17 口电路 . 20 口电路 . 20 置检测系统 . 21 矩电机系统 . 22 矩电机的选择 . 22 机驱动电路 . 22 四川大学本科毕业设计 远程机器人力反馈遥控器设计 盘接口设计 . 24 干扰设计 . 26 第五章 力反馈遥控器程序设计 . 28 口程序设计 . 28 点选择 . 28 体固件结构 . 29 程序设计 . 29 断服务程序 . 30 求处理程序 . 30 电编码器信号处理部分程序 . 31 序 . 34 第六章 力反馈遥控器结构及外形设计 . 37 控器任务分析 . 37 控器的结构设计 . 38 反馈装置的主体设计 . 38 控杆的设计 . 39 控器外形的设计 . 40 座的设计 . 41 终装配 . 41 控器实现的功能 . 42 第七章 总结与展望 . 43 参考文献 . 44 致 谢 . 45 四川大学本科毕业设计 远程机器人力反馈遥控器设计 1 第一章 绪 论 言 随着现代科学技术的发展，机器人已深入应用于生活的各个领域，其中远程机器人应用最为广泛。远程机器人是指在人的操纵下，能在人难以接近、无法进人或对人体有害的环境中完成比较复杂操作的一种远距离操作系统。远程机器人从二十世纪六十年代出现，经过将近半个世纪的发展，已 经取得了很大的成就，其成果已经广泛被运用于工业，民用的各个领域，并带来了巨大的经济效益，而且随着科学技术的进一步发展，它的应用前景将更加广阔 1。 远程医疗机器人技术是远程机器人的一个重要应用，是一个集医学、生物力学、机械学、机械力学、材料学、计算机图形学、计算机视觉、数学分析、机器人等诸多学科为一体的新型交叉研究领域，已经成为国际机器人领域的一个研究热点。近年来，许多欧美发达国家纷纷设立专项投资，开展医疗手术机器人技术的研究，经过短时间的快速发展，目前该项技术已经在医疗外科手术规划模拟、微损伤精确定位操作 、无损伤诊断和检测，新型手术医学治疗方法等方面得到了广泛的应用。将力反馈技术应用于远程医疗机器人是目前的研究热点之一，它通过力觉、触觉的实时反馈，使操作者产生身临其境的感觉，从而提高手术的成功率，缩短手术时间 2。 题的目的和意义 机器人技术一直沿着智能化的方向发展，智能机器人通常被认为是全自主系统，多年来人们按照这种思路去开发实际的智能系统。二十世纪八十年代以后，随着对智能机器人的进一步研究，研究人员认为工作在复杂或非结构化环境中的全自主式机器人系统在短期内难以实现，因此对于许多机器人系统应 用来说，都需要有人的操作介入。这让人们认识到智能系统应该是一个人机集成系统，这种认识的基本思想就是要充分利用人和机器人各自的优点，互补地完成更加复杂的工作。这种思想成功的关键不是开发出一种全自动系统而是允许操作者与机器人系统相互合作，以使总体的效率和生产力得以提高。 人 器人是由这种方式发展演变而来的。最早期的主从操作机器人，是结构相同的两套机构，分别放置在不同的地方，其中主端系统放置在一个安全或方便的地方，从端系统放置在人不宜接近的地方，如有辐射、高温、水下、太空 等环境。主从操作方式极大地延伸了机器人的应用空间，在许多危险或极限环四川大学本科毕业设计 远程机器人力反馈遥控器设计 2 境下，用机器人代替人是唯一可行的办法。因此，人类在外层空间开发、海洋深水作业及核电站的检测与维护方面，都离不开远程机器人。远程机器人已成为上述领域不可缺少的设备。此外，在一些危险、有毒有害的工业生产环境中，也是远程机器人的用武之地。但这种主从操作并没有真正体现人 年来人 及先进的控制技术，发展成为新型的主从式遥控作业系统。其中，具有感知能力的机器人技术和虚拟现实技术是开 发这种集成系统的两项关键技术。作为系统中关键要素的操作者接受远端的视觉和非视觉信息在其上的“显示”，并对远端系统进行交互性控制。这样操作者可以处在一个安全和虚拟的工作环境中，获得临场的感觉信息，协同机器人系统更具效能和效率的完成指定的工作 3。 临场感（ 术是指让本地操作者感受来自远端操作器的视觉、力觉、触觉以及其他传感器信息，使其感觉身处远地的工作现场，这样操作者可以对远端现场的作业情况做出准确的判断和决策，指导远端作业系统做出正确的动作，有 效地完成任务。临场感分为视觉临场感和非视觉临场感。视觉临场感在遥控作业系统中的重要性已得到了广泛的认识并得到了较为深入的研究，力觉临场感技术的研究才开始不久。对人类获取信息能力的研究表明，视觉信息所占的比例最大，但是当机器人与环境相互作用时，比如组装工件、插销入孔等，如果仅仅提供视觉图像信息，操作者不能从中获得真实的感受，只有在力觉临场感的指导下，操作者才能完成这种复杂和精细的作业任务 4。 遥控作业系统的实验还表明，力和接触感觉的反馈可以大大提高遥控作业的效率和精确性。例如，在对遥控机械臂的对比研究中， 发现在有力反馈时的效率是仅用图象显示的两倍以上。另外，在没有力反馈的遥控作业系统中，远端机器人严格执行操作者的指令而运动，机械手的实际位置由于各种原因而同指令位置产生误差，这种误差会带来较大的不必要接触力，或偏离制定轨迹，因此在这种情况下很难保证系统的安全性和完成任务的可靠性。由此可见力觉临场感会给遥控作业系统带来很大的优越性，可以极大地提高其操作性能。具有临场感的遥控作业系统可以看作是主从式遥控机械手的一种发展，由于临场感技术可以大大地改善遥控机器人的作业能力。因此，临场感技术，特别是力觉临场感的研究对增强我国的综合国力，对我国赶超世界尖端技术具有十分重要的意义。 程机器人的总体分析 程机器人的构成 远程机器人代替人在人难以接近或对人体有害的环境下作业，已取得了巨大的成功，是当今机器人领域研究的热点。远程机器人主要由五部分组成 :操作者、主机械手、通信环节、从机械手和作业环境。有的远程机器人还要有智能化人机接口。远程机器人一般都有移动装置、观察系统等辅助设备。如果没有这些辅助设备，一般不能称为远程机器人，只四川大学本科毕业设计 远程机器人力反馈遥控器设计 3 能称为双向伺服主从机械手 5。远程机器人的组成如图 1示。 课题机器人从手结构 示的球关节混联机器人结构构型。该机器人采用具有冗余自由度的 7+1 自由度构型设计，第一关节是辅助关节，为移动关节， 实现手术机械手整体的上下移动 ；第二、第三关节为两个平行的转动关节，实现手术臂在水平面内的大范围调整；第四关节带平行四边行机构的转动关节，相当于手臂的肘关节，保证位置机构运动时，末端工具只发生位置的改变而姿态不发生变化；第五关节为球关 节，实现两个自由度的转动，调整手术工具杆的姿态；第六关节为移动关节，用于控制手术工具杆的伸缩；第七个关节为转动关节，实现手术工具的自转。姿态机构，采用三轴交汇于一点 作者 主操作手 通讯环节 从机械手 作业环境 图 1程机器人的组成 图 1器人结构构型 四川大学本科毕业设计 远程机器人力反馈遥控器设计 4 的结构，可以保证末端工具能以某个固定点为中心产生大范围的角度调整。 向力反应 为了提高主从手的操作性能，本课题采用力反馈技术。力反馈技术是以人为中心，通过各种传感器将从手与作业环境的交互信息、反馈给操作者，使操作者有身临其境的感觉。力觉是动觉的一种，它是把从手的操作力传递给主手， 反向驱动主手，形成双向力反应 6。 文研究内容 力反馈遥控技术是当今应用于机器人领域的热点，本文通过对力反馈技术的分析，在实物的基础上加以改造，设计了力反馈遥控器。本文研究内容共分六章： 第一章 绪论 主要介绍力反馈技术的应用及背景。阐述了选题的目的和意义。 第二章 力反馈遥控的技术分析 主要分析力反馈结构，力反馈装置的特点，力反馈的关键技术。 第三章 力反馈遥控器控制系统的分析 主要介绍力反馈控制系统的组成，各个模块的功能。 第四章 力反馈遥控器硬件设计 主要介绍力反馈遥控器控制系统各个模块的结构和选型，以及各模块 电路的设计。 第五章 力反馈遥控器部分程序设计 主要介绍力反馈遥控器控制的一些关键部分的程序设计。 第六章 力反馈遥控器结构及外形设计 主要介绍了遥控器设计步骤和遥控器可以完成的功能。 第七章 总结与展望 对本文进行了总结并对力反馈遥控器的发展做了初步展望。 四川大学本科毕业设计 远程机器人力反馈遥控器设计 5 第二章 力反馈技术的分析 反馈装置的分类 力 /力矩反馈装置应用的范围广泛，不同的功能和应用场景使得装置的工作原理和结构相差很多。下面根据力 /力矩反馈装置的构型特点分为串联、并联、混联等类型。 (1) 串联结构力 /力矩反馈装置串联结构的力 /力矩反馈装 置主要是模仿人的手臂，最具有代表性的是由美国 司生产 反馈手臂，其结构如图 2。 反馈系统是在国外各实验室中广泛应用的产品，力反馈是通过一个指套加上的，用户把他的手指或铅笔插入这个指套，三个直流马达产生在 X、 Y、 Z 坐标上的三个力。 控制器是一种小型的可反向驱动的机器人，如图 2示，具有 6 个自由度， 由 6 个无刷直流伺服电机驱动。三个坐标轴的位置分辨率为 个坐标轴的转动分辨率为 1/90 度或 40 分，转动范围为 90，最大输出力为 95顿，最小的输出力为 顿。手接触式交互装置，如图 2型所示，包括 2 个串联杆，称之为手指机构，每个杆件具有 3 个被驱动的转动副。用户通过把指尖放入该装置的套管里便能够感受到反馈回来的力。放置在末端的球关节使该机构能够到达用户指尖所指的任何方向。 图 2 力反馈装置 构图 实物图 四川大学本科毕业设计 远程机器人力反馈遥控器设计 6 （ 2） 并联结构力 /力矩反馈装置并联结构力 /力矩反馈装置主要 的结构形式是采用并联机构作为运动平台，把控制器固定在并联机构的运动平台上 8。最早的并联机构 行舱放在 动平台上，机构随着驾驶员的控制模拟飞机的飞行，使驾驶员感觉处于真实的环境。最简单的并联力 /力矩反馈装置是 2 自由度的游戏手柄，如微软力反馈摇杆 图 2种摇杆控制是无接触性光电控制，其 X、 Y 坐标控制及力度控制也都使用光控，当操作者移动手柄时，发光管随着手柄移动，接收电路则不断地输出手柄位 置移动的信号给电脑。电脑将根据游戏的情节，控制电机正、反旋转 (旋转方向与操作者手动作方向相反 )。然后通过一套机械传动机构来产生对手柄 X、 Y 方向的力反馈效果，同时电机通入电流大时，力反馈效果就强。 华盛顿大学生物机器人实验室研究的线性接触演示器 (自由度的力反馈装置，具有很大的工作空间，输出力和结构刚度。它的特点是具有已申请专利的钢索传输系统，使得三个互相垂直的移动轴方向具有高的力和刚度。电机安装在机构的基座上，图 2控制器 图 2手触式交互装置 图 2软力反馈遥控杆 图 2 (四川大学本科毕业设计 远程机器人力反馈遥控器设计 7 所以只 有质量较轻的联接元件随手柄移动，如图 2示。 (3) 混联结构力 /力矩反馈装置混联结构的力 /力矩反馈装置一般结构形式是把几种并联机构串接到一起或者把串联和并联机构串接到一起工作。目前做的比较成功的有韩国的智能机器人研究中心 (制的制动式被动触觉显示装置( 作组的反馈装置和空间机械 实验室 ( 6 自由度力反馈装置。韩国的制动式被动触觉显示装置其结构特点为：下部是 3平面并联结构，为 x,y 方向的移动和 z 方向的转动三个自由度。上部 3空间并联结构具有 z 方向的移动和 x，y 方向的转动三个自由度。两部分相连就组成新的 6反馈装置，如图 2示。图a 制动式触觉显示装置，图 b 反馈装置。 反馈装置的特点 构型式 根据与操作者肢体的相互作用关系，现有的力反馈装置可以分为：基于手指的装置、基于手部的装置、基于上肢的外骨骼装置等，自由度数目由 2 个至 6 个甚至更多。按照力反馈操纵装置的结构型式可以分为：串联、并联、串 联结构具有工作空间大，运动学正解容易的优点，但各环节的累积误差较大，逆解复杂，精确的运动控制难以实现。与串联机构相比，并联机构是复杂的空间多环机构，构件数目多，构件间存在严重的耦合关系，动力学计算复杂，运动学正解复杂，逆解容易，可以对平动与转动实行解耦，以提高控制精度，机构具有刚度大、 承载能力大、无积累误差、自重平衡较好及各向同性较好等特点，因而，基于并联机构 (如 台 )的力觉交互装置引起关注。但不足之处图 2 a 制动式触觉显示装置 b 反馈装置 四川大学本科毕业设计 远程机器人力反馈遥控器设计 8 是工作空间范围小，姿态变化幅度有限。而串 而，也逐渐受到重视。根据主、从机械手结构型式、自由度数是否相同，力反馈装置可以分为同构式与异构式两种。对于同构式力反馈装置，从手按比例跟随主手运动，结构简单，运动及控制较容易实现，目前，国、内外以同构式为主。但只适用单一的从机械手，缺乏通用性。异构式的主、从机械手结构及运动关 系不明确，二者的运动和动力对应关系需在计算机中经过运动学和动力学正逆解算，将关节空间映射到操作空间，通过合理地选择主、从手之间的力和运动比例，将其分配到力反馈装置的各个关节上，由各关节驱动元件产生操作者感知的力信息，控制算法比较复杂，但运动形式灵活多样，通用性强，更适合现代机器人智能化的需要，是一个重要的研究方向。 反馈实现方式 力反馈是将关节空间的力映射为操作空间的力，最终在操作者手指或手部实现力觉反馈的过程。力觉的产生需要通过一定的动力元件完成，由于操作空间的力与操作者的手部直接接触，要求动 力元件具有足够的带宽和动态范围、较大的功率密度 (功率 /重量比或功率 /体积比 )以及安全可靠。现有的力反馈实现方式可分为主动和被动两种形式。主动形式是指反馈力通过动力元件及传动机构直接作用在操作者肢体上，使操作者获得真实力觉的形式。动力元件有力矩电机、直流伺服电机、振动器以及气缸、液压缸、气动人工肌肉、电流变流体、磁悬浮、形状记忆合金、压电晶体、电致和磁致伸缩机构等。被动 (又称为本质无源 )形式是指当从机器人与环境发生接触时，利用电机堵转 (抱闸 )、塑性紧固等方式使机构失去自由度，当操作者肢体移动时感觉到机构或装置 的反作用力，从而获得力反馈的方式。主动形式需要限制力 /力矩，以免力 /力矩过大对使用者造成伤害；而被动形式要求操作者主动向机构施力，否则就感觉不到力，而且无法进行误差补偿。 反馈操纵装置的控制方式 力反馈操纵装置的控制方式可以分为主 从控制，主手的结构、自由度分布以及工作空间都与从机械手相同，比较容易实现主 得到较好的控制结果。但移植性较差，无法与其他结构型式的机械手匹配。通常，工业机械手的结构和自由度与人体的关节结 构和自由度分布不同，使操作的舒适性和协调性不佳，导致操作不便。通用匹配型是为了提高控制的舒适性和协调性，将力反馈装置尽量设计成与人体的关节、自由度及运动范围相符。但是，这种类型的主手通常与从机械手的结构、自由度以及工作空间都有较大的差别，需要通过运动学、动力学正逆解，产生控制和反馈指令。目前，主要有点对点、姿态对姿态等多种匹配方法。对于更一般的匹配问题，需要建立一种方便有效的方法，通过调整操作空间与关节空间中的各个参数，达到良好的匹配效果。 反馈操纵装置性能指标 随着远程机器人应用领域的不断扩大 ，从机械手的结构趋于多样化，一般需要根据从机械手的应用场合设计力反馈操纵装置。力反馈操纵装置均由特定的机构组成，通常按照四川大学本科毕业设计 远程机器人力反馈遥控器设计 9 自由度数、工作空间、各向同性、结构奇异、灵巧度、位置精度等评价机构的性能指标进行设计；但作为力反馈操纵装置，除了应满足上述指标以外，还包括力反馈的范围 (又称模拟刚度 )和力反馈精度、动态特性以及人体工程学等指标。例如，力反馈装置可以用最大模拟刚度 (N/m)来评价。研究表明，大多数操纵装置能够接受的刚度为 20N/m，可以施加在操作者手指的最大值为 40N/m，但是执行精确操作时，则不能超过 10N/m。此外，为提高力反馈的精度，力反馈装置的动态特性应与人体的运动响应特性相适应 9。 反馈装置的关键技术分析 远程机器人系统应用领域广泛，对于力反馈操纵装置的性能指标要求尚没有统一的标准，一般应根据具体主 功能上讲，力反馈操纵装置的作用主要包括两个方面，一方面，将操作者手部的位置和姿态信息实时准确地传送给远端机器人，另一方面，将从机器人与环境的相互作用力 /力矩信息反馈给操作者。理想的力觉临场感能使操作者感知的力等于从手与作业对象之间的 作用力，同时从手的位置跟踪主手的位置，此时的力反馈控制系统称为完全透明。总体上，应该具有结构简单、紧凑，操作灵活轻便，摩擦和惯性小、具有合适的操作空间和出力，符合操作者的动力学特性、通用性强等特点。概况起来主要包括以下几个方面： （ 1）位置控制精度 通常，主手的运动将按照一定的映射关系变为从机器人的运动，因此，要求主手的位置控制精度较高。主手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是决定从手跟踪主手位移精度的重要因素；此外，减制造、安装误差和结构变形引起 的非线性因素，也是主 （ 2） 反馈力范围 主手的反馈力通常由力矩电机、液压或气动装置产生，反馈力应处于适当的范围，反馈力的下限与机械结构、摩擦力、惯性力有关。研究表明，在信息感知方面，人只能在生理极限能够承受的环境中，进行有限小阈值范围内、模糊定性的感知。因此，主手的力觉阈值小于人手的最小感知阈值将是力反馈操纵装置设计的目标之一。主手承受的主动载荷为人手的作用力，一般不超过 10时间工作时的载荷更小；反馈力的上限应使操作者操作安全、不易产生疲劳感。 （ 3）动态特性 为了使操作者产生灵敏的力觉，要求力反馈操纵装置的各个运动副运动灵活、摩擦力小；使主手的动态响应与人手能够感知的信号频率范围相匹配，这种性能将取决于力反馈四川大学本科毕业设计 远程机器人力反馈遥控器设计 10 操纵装置的结构及驱动元件的动态响应特性。 （ 4）各向同性 主手的各向同性主要是指在任何位置和姿态下动力学参数的一致性，如摩擦力、重力和惯性张量在不同位姿下的一致性，特别是惯性张量的一致性，它是主手位姿的函数，若其数值变化较大，则会造成同样大小的反馈力，在力反馈操纵装置处于不同位姿时给人造成不同的力感觉，因此，应设法使驱动元件的力 /力矩控制信息中不 包含与位姿有关的信息或减小其影响。 （ 5）稳定性 稳定性是主 作者与从机器人之间的通信时延是影响远程机器人系统稳定性的主要因素，时延降低了系统的稳定性；基于现代控制理论的方法、基于虚拟现实的方法和基于网络理论的方法有望消除或减小时延的影响。对于从机器人与作业对象碰撞冲击造成的稳定性问题，可设计一个自适应力控制器，其中包括一个扰动观测器和环境参数观测器，当环境刚性已知或工作过程中变化时，该控制器能够适应这种变化，保持良好的控制性能。 （ 6）人体工程学指标 在人 人始终是工作的主体，人要完成监视、控制、决策等功能。因此，在设计人 对人的特性进行充分的考虑，只有这样才能保证机的设计符合人的需要。人的感知是生理分析器工作的结果，其特征包括整体综合性、选择性、理解性、恒常性、适应性、限值性、多样性、模糊性、个体感知差异性等，因此，设计与人的手部直接接触的力反馈操纵装置时，除了考虑装置的可操作性，即稳定性、快速性、准确性以外，还应使反馈的力实时、精确、安全地反映到手部，尤其应考虑适应性、限值性等特征。作为力反馈操纵装置，还应考虑与操纵装置相关的人的力学和几何特性 ，如上肢向前后左右的推力和拉力极限值、活动范围等因素。应按照人体工程学原理进行主手的结构设计，考虑操作的舒适性、安全性、宜人性，设计适当的操纵空间，或通过设置不同的主、从位移比和力比，实现对人体肌力和运动的放大和缩小，使操作者对于软、硬不同的操作对象或操作空间较大的从机械手，既能保证力感觉的逼真又不致于产生疲劳感。对于力反馈操纵装置一般要求满足下列性能： 操纵杆末端的绝对运动线速度小于 s，角速度小于 s，保证操作者的舒适安全； 手部的反作用力小于 100N； 由操纵杆传递至手部的功率小于 40W。 总之，为了实现力反馈操纵装置的性能，通常要求力反馈操纵装置具有适当的工作空间且在工作空间内无奇异点，低惯量、低摩擦、高刚性等特性，具有足够大的反馈力幅值和带宽，其形状、大小及阻力应适应人的操作肌体解剖结构与功能特点 10。 四川大学本科毕业设计 远程机器人力反馈遥控器设计 11 构设计 主手直接与操作者的手部交互，其结构型式、尺寸、制造加工精度等直接影响其操作性能和对环境感知的逼真度。 1 结构型式 串联机构各环节的累计误差较大，运动学正解容易，逆解复杂，精确的运动控制难以实现，但工作空间大。并联机构是复杂的空间多环机构，同串联机构相比，其构件数 目多，构件间存在严重的耦合关系，从而使动力学方程相当复杂，工作空间范围小，姿态变化幅度有限。并联机构运动学逆解容易，但正解复杂，可以对平动与转动实行解耦，有利于提高控制精度，而且机构刚度大、承载能力大、无累计误差，因而，基于并联机构的操纵装置的设计研究越来越受到重视。串 年来出现了相应的力反馈操纵装置的研究成果。同构式是指主 由度相同，从手按比例跟随主手运动，具有结构简单、运动及控制较容易实现等特点，是国内外研究的主流。但占用空间较大，只能适用单一的从机械手， 缺乏通用性。异构式的主 者的运动和动力对应关系需在计算机中经过运动学和动力学正、逆解算，将关节空间映射到操作空间，通过合理地选择主、从手之间的力比和位置比，将其分配到操纵装置的各个关节上，由各关节驱动元件产生操作者感知的力信息和从机器人的运动信息。通常，控制算法较复杂，但运动形式灵活多样，通用性强。理想的力反馈操纵装置应能够实现机械结构上解耦，从而简化运动学和动力学解耦运算问题，实现实时控制。 2 各向同性与结构非奇异性 主手在不同的位形时应具有力觉临场感的各向同性。雅可比矩阵的 条件数反映了操作空间和关节空间之间速度和力线性传输的各向同性能力，对机构本身的运动控制特性有很大的影响。机构的结构尺寸与条件数的大小密切相关，条件数愈小，愈容易实现高精度的运动控制，各向同性越好。当条件数等于 1 时，机构处于最佳的运动传递性能，通常称机构的这一位形为各向同性。在确定结构参数时，一方面应使雅可比矩阵的条件数在关键工作位置处的数值尽量小，另一方面应使其正常工作范围处于条件数较小的区域内，以保证它具有良好的运动控制性能。当机器人机构处于某些特定的位形时，其雅可比矩阵成为奇异阵，行列式为零，这种位形称 为奇异位形。当机构处于奇异位形时，其机构具有多余的自由度，将失去控制，因此在进行力反馈操纵装置结构设计时应避开奇异位形。 3 其他 操作者感知的环境的力 /力矩信息受主手本身动力学特性的干扰，尤其当各关节的惯量和摩擦较大时，力感知的精度和灵敏度将大为降低。为了减小系统误差，实现高精度的力觉反馈，主手应具有足够的机械刚度，采用低惯性和低摩