（机械电子工程专业论文）手术机器人主手力感问题的研究.pdf

中文摘要 主一从机器人技术是智能机器人领域一个热门研究课题。作为主一从机器人 系统中的一种人机交互设备，主手机器人的设计问题受到研究者的高度重视。本 文主要研究的是主操作手的力反馈实现问题。 首先介绍了力感基本知识，研究了现有力感实现方法的优缺点，认为采用电 机实现力感觉是相对较好的方法。对常用的力矩电机法进行了较详细的研究，包 括传动机构、力矩电机的工作原理、力矩波动原因及抑制方法等，以为最终的方 案选择提供依据。 随后对所用电机参数进行了计算。根据所设计的一款通用型主手相关参数， 推导出了杆件变换矩阵及有关的齐次变换矩阵，进而求得主手力雅可比矩阵，并 得到关节力矩解析表达式。根据主手设计要求，计算得到前三个关节电机峰值转 矩，为电机选取奠定了基础。 最后，对电机力矩控制方法进行了研究，推导出了电机力矩平衡方程和电枢 电压平衡方程。在对比分析了两种被动力矩控制方法之后，最终决定采用电流型 p w m 实现力矩控制，以达到良好的力感效果。 关键词：主一从机器人主手力反馈力矩控制 a b s t r a c t m a s t e r - s l a v er o b o ti sah o tr e s e a r c hd i r e c t i o no fi n t e l l i g e n tr o b o t i cs t u d y a sa h u m a n - c o m p u t e ri n t e r a c t i o ne q u i p m e n ti nm a s t e r - s l a v er o b o t i cs y s t e m ，t h ed e s i g no f m a s t e rh a n di sh i g h l yc o n c e r n e db yt h er e s e a r c h e r s t h i sp a p e rm a k e sr e s e a r c ho nt h e f o r c ef e e d b a c ko f t h em a n i p u l a t o r f i r s t l y , t h ep a p e ri n t r o d u c e st h ec u r r e n tr e s e a r c hm e t h o d so ft h ef o r c e - s e n s i n g a n dt h e f ta d v a n t a g e sa n dd e f e c t s ，c o n c l u d i n gt h a tr e a l i z a t i o no ft h ef o r c e s e n s i n gw i t h m o t o ri st h eb e s tw a yf o rt h ep r o p o s e dt o p i c t h e n ，i tm a k e sd e t a i lr e s e a r c ho nt h e m e t h o do ft o r q u em o t o r , i n c l u d i n gd r i v i n gs t r u c t u r e ，t h ep r i n c i p l e sa b o u th o wt h e t o r q u em o t o rw o r k s ，c a u s eo ft h eo s c i l l a t i o no ft h et o r q u ea n di t ss u p p r e s s i o nm e t h o d a n ds oo n s oi tp r o v i d eb a s i sf o rt h ef i n a lc h o i c e s e c o n d l y , t h i sp a p e rt a r g e t a tt h ec h o os i n go ft h ep a r a m e t e r sf o rt h e m o t o r a c c o r d i n gt ot h eu n i v e r s a lm a s t e rh a n dd e s i g n e d ，w eb u i l dt h et r a n s f o r m a t i o n m a t r i xo fm a s t e r - h a n d a t t e rf u r t h e rc a l c u l a t i o n , w eo b t a i nt h em a t r i xo ff o r c e j a c o b i a no ft h em a s t e r - h a n da n dt h ea n a l y t i ce q u a t i o no ft h ej o i n tt o r q u e s t h e n ，w e s u c c e s s f u l l yg e tt h ep e a kt o r q u eo ft h em o t o r , r e f e r r i n gt ot h er e q u i r e m e n t so ft h e m a t e rh a n d a l lt h ew o r kd o n ei nt h i ss t a g el a yd o w nt h es o l i df o u n d a t i o n sf o rt h e c h o o s i n go f m o t o r f i n a l l y , w ed i s c u s st h ep r i n c i p l eo ft o r q u ec o n t r o lo ft h em o t o r , g e tt h em o t o r t o r q u eb a l a n c ee q u a t i o na n da r m a t u r ev o l t a g eb a l a n c ee q u a t i o n a f t e rf u r t h e r d i s c u s s i o na n da n a l y s i so ft w ok i n do fp a s s i v et o r q u ec o n t r o lm e t h o d s ，w ed e c i d et o t a k ec u r r e n tc o n t r o lm o d e lp w ma sf i n a lc h o i c et or e a l i z et h et o r q u ec o n t r o l ，s ot h a t t h ef o r c e - s e n s i n ga c h i e v e sg o o dr e s u l t s k e yw o r d s ：m a s t e r - s l a v er o b o t ，m a s t e rh a n d ，f o r c ef e e d b a c k ，t o r q u ec o n t r o l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得丕姿态堂或其他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了谢意。 学位论文作者签名：郭辩签字日期：冲7 年尹月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤鲞盘堂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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 韶旁 导师签名： r 艺l l 签字日期：2 7 年7 月7 日 签字日期：加年彳月7 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题研究背景与研究意义 1 1 1 研究背景 随着社会的进步，人类对自身疾病的诊断、治疗、预防及卫生健康给予了越 来越多的关注，对医疗技术及手段也提出了越来越高的要求。人们尝试着将传统 医疗器械与信息、微电子、新材料、自动化、精密制造、机器人等技术有机结合， 以提高医疗诊断的准确性和治疗的质量【l 】。在社会需求、科技进步和商业利益共 同作用下，作为高技术医疗器械典型代表的医疗机器人进入人们的视野。 目前，医疗机器人的研制主要集中在外科手术、康复和医院服务机器人系统 等几个方面，其中尤以外科手术机器人最为活跃。主一从式外科手术机器人系统 将微创技术与机器人技术有机结合起来，可以辅助医生进行术前手术规划，辅助 医生完成高质量的手术操作，精度高、恢复快、效果好。 外科手术机器人目前存在的主要问题之一是主手力感觉功能较差。为了有效 提高手术质量，除了完善提高视觉系统功能外，还需要使机器人具有较好的力感 觉功能。目前，在主手研究中，力觉交互技术己成为新的研究热点和方向，引起 了各国科技界的高度重视。由于力觉( 触觉) 交互技术对未来人们交流沟通方式 将产生的重大影响及其在诸多行业领域中的广阔应用前景，美国福布斯杂志在 2 0 0 6 年2 月将其列为“未来改变人类生活方式的十项技术”( t e nt h i n g st h a tw i l l c h a n g et h ew a yw el i v e ) 之一f 2 1 。 1 1 2 研究意义 带有力反馈的医疗主手在医学上有着非常重要的意义，一些研究成果表明 3 1 ，如果在主手上增加力反馈，可以将手术工具与患者器官组织间的接触力减小 3 0 到6 0 ，峰值力减4 , n 原来的二分之一到六分之一，手术时间缩短3 0 ，出 错率减少6 0 。 传统的手术训练一般是采用现场观察学习或者在动物身上训练等方法进行 的，这些方法都存在着各种限制因素，如训练不能重复进行、可能会给操作对象 带来一定程度的伤害、风险高等。而借助于带有力反馈的医疗主手系统能够在虚 拟环境中重复模拟同一手术过程，不存在任何手术风险，因而可以广泛用于手术 第一章绪论 操作的教学、培训和手术规划。此外，此手术系统还可以大幅缩短名合格医生 的培养周期、降低手术培训的相关费用，因为虚拟手术的可重复性特点完全克服 了依靠传统临床观摩实践来训练医生时遇到的操作机会少、操作对象昂贵等问 题。 随着医疗技术的不断进步，现代新型临床手术日益复杂和精细，对医生的操 作水平和熟练程度提出了越来越高的要求。例如，微创手术要求操作者在眼睛注 视显示器上图像的同时协调好手部的动作，对医生而言手术过程中的“手感”极 为重要，而这种“手感”往往需要经过大量的临床经验积累才能获得。而具备力 反馈功能的虚拟手术系统能够模拟真实手术过程，帮助医生在短时期内获得传统 意义上需要很长时间才能获得的“手感”，从而帮助医生降低现代手术的失败率。 现代通讯技术的发展使得远程医疗成为了可能，医生可以跨越地理距离对远 在几千公里外的患者进行手术。远程手术通常依靠主从随动操作机构将本地医生 的操作动作复制到遥远的患者现场，在这个过程中本地医生得到的唯一反馈信息 来源于远距离传输来的患者现场图像。对操作医生而言，仅仅依靠现场图像信息 并不能进行准确有效的判断；如何帮助本地医生获取现场操作时才有的“手感” 信息显得格外重要。力觉交互技术无疑可以解决此类问题，将现场设备检测的力 感信息复现到本地医生的手上。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 主从式医疗机器人概述 医疗机器人技术是集医学、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。目前，先进机器人技术在医疗外科手 术规划模拟、微损伤精确定位操作、无损伤诊断与检测、新型手术医学治疗方法 等方面得到了广泛的应用，这不仅促进了传统医学的革命，也带动了新技术、新 理论的发展。 在我们与周围的世界相互作用中，力触觉是仅次于视觉的重要的感觉，它可 以分成两类：通过我们的关节和肌肉得到的运动知觉，这种知觉提供了力、速度、 位移等信息，触觉提供更为精细的知觉，如局部形状、纹理等。现代医疗机器人 己经涉及上述两个方面，但是，更为主要的是运动知觉。除了视觉、力觉外， b e g a u l t 的研究表明，通过将有关信息转换成声音输出，来实现辅助定位是有效 的【4 j ，但是，遥操作系统中一般也仅有视觉和力触觉，听觉、味觉和嗅觉比较少 第章绪论 见。常见的遥操作系统的构成如图1 - i 所示 圈卜1 主从式手术机器人 由图1 - l 可以看出，在引入了力觉临场感的遥操作系统中，人与机器的交互 是通过主机械手来实现的，这个主机械手就是多自由度的手控器，操作者操作手 控器，手控器通过对操作者手的动力学测量生成对从机械手和虚拟现实的控制命 令，分别控制从机械手和虚拟现实的运动，同时主机械手又接受来自虚拟环境的 视觉信息和力觉信息，其中力觉信息控制手控器自身产生一定的力来模拟从机械 手与真实世界的相互作用佣。可见，手控器不仅要完成人机交互功能、还具有在 毛机械手虚拟现实从机械手问的通信功能。从全局的观点来看人是系 统中的一个环节，但从操作者的角度来看，手控器是一种人机接口，它的作用可 以归结为：( 1 ) 操作者手臂运动的测量系统对人手的测量结果作为从机械手运 动指令。( 2 ) 力觉临场感中力的发生源，操作者根据感受到的力觉信息来理解、 划断从机械手与环境作用的状况，决定下一步的工作方法。 国际上九规模开展主一从操作手术机器人研究工作是从上个世纪9 0 年代开 始的，美同、德国、法国、日本等先后研制出了多款手术机器人，其中最著名的 为美国c o m p u t e r m o t i o n 公司推出的z e u s 机器人和i n t u i t i v es u r g i c a l 公司开发出 的d a v i n c i 机器人。 】9 9 6 年蜘，美国的c o m p u t e rm o t i o n 公司利用研制a e s o p 系列机器人积累 的在计算机和机器人方面的关键技术推出了功能强大的z e u s 机器人外科手术 系统口】，并用于微创伤手术，如图l 一2 所示。z e u s 系统让外科医生突破了传统 微创伤手术的界限，减轻了医生的疲劳强度，大大降低了病人的痛苦，z e u s 系 统的从操作系统的每个机械臂具有6 + 1 个自由度，其中6 个用于位姿调整，另 外一个用于位置优化p l 。通过z e u s 系统，医生可以在舒适的工作环境下操纵主 手动作，并通过监视器实时监视手术的过程；在手术地点，从手忠实地模拟并按 比例缩放医生用主手操作的动作，完成手术。 - 3 第一章绪论 毋谨 图1 - 2 z e u s 外科手术机器 系统 2 0 0 0 年1 月9 日，美国i n t u i t i v es u r g i c a l 公司成功地开发d a v i n c i ( 选芬奇) 外科手术机器人系统是主从式医疗机器人研究的一个里程碑1 9 l 。它是目前为数 不多的商品化的医疗机器人之一主要包括一个医生控制平台、多功能手术床、 各种手术器械和翻像处理设备等。手术医生在控制台上通过主手( 图i 一3d a v i n c i 外科手术机器人医生的运动1 操作机器人动作，通过脚踏板来控制高质量的 视觉系统。多功能手术床包括2 个机器人手臂和一个内窥镜挟持手臂，为避免损 伤患者微细组织和神经，内窥镜手臂在手术切口l c m 上回转”。 图1 - 3 d a v m c i 外科手术机器人医生的运动 1 2 2 力觉交互设备的研究现状 在传统手术中，医生手持手术器械对病患处进行操作时手术器械与患处的 接触力可以通过手术器械直接传达到医生处，这个接触力在手术过程中，很多时 候有着相当重要的作用部分手术中甚至是医生进行操作的重要判断依据。然而 在现有的手术机器人系统里，在手术过程中，从操作系统的手术工具末端与患处 的接触力，通常无法准确有敲地传到医生处。简言之，主操作手无法接受到有效 的力反馈，缺失了力感觉，这严重制约了主从式手术机器人的发展和实用价值。 力反馈是一种机械表现出的反作用力，将虚拟场景中的数据通过力反馈设备 表现出来，能让找们身临其境地体验虚拟场景中的各种效果力反馈技术能将虚 第一章绪论 拟场景中的数据转化成用户可以感觉到的效果，例如推动操作杆时感受到的反作 用力，这些效果都是力反馈软件“播放”出来的。力反馈手控制器能把操作者的 操作力传递到虚拟操作手或远程操作机上，同时能把在虚拟现场或远程操作现场 感受到的力力矩反馈给操作者。当操作者的输入运动使远程系统运动时，系统 感受到的力力矩被反馈给手控制器，因此操作者就能感受到作用在系统上的力 力矩。 目前世界上对力觉交互设备的开发研究方兴未艾，发达国家的许多研究机构 和公司纷纷加入到这方面的研究中，并陆续推出了部分原型机。 美国在这方面的研究开展得比较早目前一些美国公司已经推出了相对成熟 的商业化产品。其中，最著名韵当属麻省s e n s a b l e 公司，该公司不但提供力反馈 设备，还提供功能强大的驱动硬件和软件包，全球许多科研机构的力反馈设备均 来源于该公司。该公司的p h a n t o m 系列产品具有操作舒适结构轻巧的特点， 是目前为止开发研制最成功的力反馈主操作手之一。根据工作空间和力反馈数 目主要分为三娄：p h a n t o md e s k t o p 系列，p h a n t o mp r e m i u m 系列， p h a n t o m15 6 f 系列。 圉p 4p h a n t o md e s l d o p 操作手 p h a n t o md e s k t o p 系列适合办公室环境使用如图1 - 4 所示。它具有6 个 自由度，可咀同时感受3 个方向的力。它是一个类似于小型机械手的装置对于 三维虚拟模型或数据具有定位功能，就如同二维鼠标对二维图像具有指示和定位 功能一样。当p h a n t o m 的机械臂在工作空间中运动时，就会在计算机屏幕上 出现一个指示针，反映机械臂在工作空间中的位置。通过碰撞检测等技术探测到 指示针与虚拟模型接触时，计算机会发出信号，告诉机械臂接触到了虚拟模型， 并将该模型的物理性质，如质量、软硬程度、光滑程度等反馈蛤p h a n t o m ， 再由该系统产生相应的力传递给操作者，使其具有力的感受，从而实现了力反馈。 缺点为工作空间很小，很难满足丈工作空间的场舍。另外，由于没有很好地解决 重力对平衡的影响力感觉反馈的准确性相对不高。 第章绪论 盖，量 a荑 彰蝉 图卜5p h a n t o mp r e m i u m 系列 图l - f ip h a n t o mi5 ，研： 欧洲主耍的力反馈设备提供商是法国的h a p t i o n 公司和瑞士的f o r c e d i m e n s i o n 公司。h a p t i o n 公司目前可提供一系列名为h a p t i o n 的具各6 个自由 度运动和力反馈功能的设备。h a p t i o n 设备可用于虚拟装配、数字样机开发等 领域，其缺点是体积和活动冗余度较大，不如删t o m 操作灵活。法国h 耐面n 公司的v i - m o s e6 1 ) 3 5 4 5 如图l - 7 所示。它为6 自由度的主手装置，其臂长都为 2 5 0 r a m 。能够实现动态自重补偿。最大负荷为1 5 n ，持续负荷为s n ，但是只有 3 自由度力反馈。操作空间与手腕运动有关。他至少包古一个 2 5 0 m m 2 5 0 m m + 2 5 0 m m 的立方体。特别适合虚拟现实或者远程物体之间的互动 研究中使用，它可以减小工作空间，并且使得研究可以在标准的荧幕上开展。 上 图1 - 7 v i r t u 璐e 6 d3 5 - 4 5 主手机器 成立于2 0 0 1 年的瑞士f o r c ed i m e n s i o n 公司利用d c l 【a 井联机构原理先后成 功7 r 发出一臼南宦和六自由度力反馈设备，目前已广泛应用于纳米微操作、医学、 航空、娱乐等领域。 o m e g a 主手机器 是由瑞士的f o r c e d i m e n s i o n 公司于2 0 0 7 年研制的一款商 业化带力觉的主手如图1 - 8 所示。其设计中全部使用了平行四边形机构和主动 重力补偿技术，其外形高度为2 7 0 m m 、宽度为3 0 0 m m 、深度为3 5 0 m m 。平移工 作空间为妒1 6 0 m m x l l 2 0 m m ，无旋转工作空间，能够持续施加1 20 n 压力。线 形解析度小于0 0 0 9 m m ，刚度为1 45 n 一”】，由于其刚度、强度比较大和精度比 较高，被广泛用于医疗和高端研究，但是其工作空间小限制其成为一款通用型 主手机器人。 第一章绪论 壁奎 圈i - 8 0 m e g a 主手机器人 圉i - 9 d e l t a 主手机器 d e l 【a 系列是为满足更高要求的客户设计的产品，如图1 - 9 。独特的设计结构 和机械结构，令这个系列的产品具备更太的操作空问和更大的反馈力量，此产品 主要用户为军事用户和工业仿真。 国外许多大学和研究机构也开展了这方面的研究目前已经发布的设各样机 有：美国西北大学根据并联机构原理设计的并联力反馈装置，美国在阿华大学的 类似于h a p t i o n 结构的力反馈装置加拿大西安大略大学在p h a n t o m 产品 基础上改装而成的具有五自由度力反馈功能的内窥镜手术模拟系统等 1 2 10 这些力 反馈装置都能在一定空间范围内实现特定自由度上的运动和力反馈功能，但也都 存在着各种各样的功能局限性，还需要进行进一步地完善。 图l - l o 并联力反馈装置 力觉交互技术是一项投资大、难度高的多学科交叉技术，与一些发达国家相 比，我国还有相当大的差距。由于国内对力反馈技术的研究开展得较魂，目前国 内尚没有出现一家研发制造力反馈设备的公司，国内开展这方面研究的高校也较 少。北京航空航天大学最早进行了这方面的探索，已研制出了一些简单的样机， 如图卜1 1 。东南大学也在这方面进行了研究，利用磁流变踱原理制作出了简单 的力反馈手套。哈尔滨工业大学机器人研究所于2 0 0 0 年研制出一个三自由度力 第一章绪论 反馈设备，并借助于头盔显示器、跟踪器等传嬉设备建立了一个能够让操作者获 得沉浸感的虚拟现实系统。2 0 0 4 年，河北工业大学机器人及自动化研究所利用 气动原理研制出“基于虚拟现实手臂外骨骼康复系统”为患者提供了有效的肢 体功能恢复工具。2 0 0 5 年，中国科学院自动化研究所高技术创新中心利用电磁 铁驱动原理研制了“基于手术刀的虚拟外科手术系统仿真器”。 警、 r 怒、l 遵陵、 羔i 心， 图卜1 2 东南人学开发的简单力反馈手套 从上述几种典型的主手可以总结出主手构成的一些特征和设计指导思想； ( 1 ) 主手是一种设计非常灵活的机械装置，构成多自由度的机构可以有多种设 计方法，从上述几种主手可以看出，以连杆机构构成的主手的运动机构为设计的 主流。 ( 2 ) 主手是一种有动力源的机械装置，机械结构主要用于测量，动力源以电机 为主，也可根据情况采用其他形式，如气压等机械结构和动力源的选择是主手 第一章绪论 设计的两个基本问题，往往也决定了主手的形式。因此，灵活的机械结构，测量 传感器，力反馈或力控制器件一直是主手设计中不断开拓创新的内容。 ( 3 ) 主手的动力是作用在操作者的身体上的，设计主手要考虑人的承受能力， 人体的安全，操作者的舒适性等，主手的设计要尽量遵循人机工程学原理。同时， 由于主手的目标之一是使得操作者主观上感觉到与远端机器人在某种工作状态 下相应的力的感觉，因此人体生理的时变性，非线性，人类生理和心理的研究也 将成为主手设计时的研究对象。 ( 4 ) 由于主手是力觉临场感系统中的一部分，设计主手应该着眼系统功能最优， 分析主手的性能时，要用人机工程的观点分析力觉临场感系统，对于通用性主手， 它的动态特性要求与人的运动响应相适应。 ( 5 ) 通用性主手要有一个灵活的接口以及多种工作模式，以适应不同的作业任 务和同一任务的不同工作状态。 力觉交互技术除了在医疗领域有重要作用外，在其他的一些方面也具有十分 广阔的应用前景： 1 娱乐：游戏操作者可以通过触( 力) 觉来体验并操作游戏中的虚拟物体； 2 工业设计：可将力觉表现技术引入c a d 系统中，使设计人员可以在高度沉浸 的虚拟场景下通过自身力觉进行零件的操作和装配： 3 飞行训练：飞行模拟器可用于对飞行员的训练。飞行员操纵带有力反馈的控制 器时，在不同的虚拟环境下就会有省力或费力等不同感觉。 4 危险操作：在有辐射或人类不能轻易到达的地方，如太空，深海等领域适于使 用遥操作机器人，遥操作机器人的主手是具有力反馈的手控器，操作者可以在安 全的地方操作并感知到现场的工作情况。 1 4 本文研究任务与内容 本文的研究任务是通过研究确定一套力感觉实现方案，为后续工作奠定坚实 基础。首先对现有力反馈方法进行分析，掌握其优缺点；然后对设计出的通用型 手术机器人主手进行运动学分析，得到主手的力雅克比矩阵，进而计算出各个关 节最大力矩，为选择电机提供依据；最后，对各种力矩控制方法进行比较，确定 本课题实施方案，以达到良好的力觉效果。 主要的内容安排如下： 第一章绪论 主要介绍课题研究意义与现状，分析主从式手术机器人使用价值、使用目的 和特点，重点分析力反馈主操作手的研究现状及目前存在的问题，最后确定本文 第章绪论 研究任务与研究内容。 第二章力感原理及力矩电机法 首先对现有的力觉驱动器件各自的优缺点进行分析，选择一种较好的执行器 件。对电机丝传动法进行分析。为了深入了解常用的力矩电机法，对力矩电机的 工作原理和使用特点以及电机波动力矩的原因和抑制方法进行分析。 第三章电机参数计算及选择 首先建立主手的运动模型，在此基础上求出手术机器人主手的力雅可比矩 阵，得到关节力矩的解析表达式。根据主手设计要求，计算得到前三个关节最大 力矩，而后根据系统实时性的要求，分析电机的伺服频率，进而选择电机。 第四章系统控制模型与控制方法 首先分析机器人的控制方式，决定采用上、下位机二级分布式结构控制。随 后对电机控制模型进行分析，推导电机力矩平衡方程、电枢电压平衡方程，得到 电机的被动力矩。通过对比分析两种主要的被动力矩控制方法，最终决定本课题 所用力矩控制方法。 第五章全文总结 第二章力感原理及力矩电机法 第二章力感原理及力矩电机法 2 1 力感觉与力感机构 2 1 1 力感觉概述 机器入主手作为力觉临场感技术的一个交互设备，实质上也是一种力觉虚拟 现实设备，因此，同样要求符合虚拟现实技术的一些基本要求【l7 1 。美国m i t 的 1 2 z e l t e r 教授曾将虚拟现实技术的最重要的三个特征描述为：临境感或沉浸感 ( p r e s e n c e ) 、交互性( i n t e r a c t i o n ) 、自律。陛( a u t o n o m y ) 。这三个要求同样适用于能 实现力觉临场感的机器人：l ，临境感：或称沉浸感，它是指用户在计算机所创 建的三维虚拟环境中处于一种全身心投入的感觉状态，确信自己是世界的一部 分，而不是旁观者，理想的主手机器人应当使用户具有良好的沉浸感，使操作者 感觉到如同身临其境，如同用自己的手臂对现实世界实现某种操作，具体而言， 要求被主手控制的虚拟现实的运动要同从端机器人的运动一致，主手的力觉反馈 要能被人理解为从端机器人的某种工作状态，这种理解要凭人的感觉，而不是任 何其它的运算规则，而且不能有歧义，因此，力觉反馈要简单地对应一种物理量， 如力的大小、位移的大小、位移速度的大小等等。2 ，交互性：交互性认为在虚 拟现实系统中，人并不是单纯地被动认识存在于周围的事物，交互性是要求参与 者通过使用专用设备，用人类的自然技能实现对模拟环境的考察与操作。因此， 主手机器人不能只是一种单纯的力觉模拟装置或单纯的一种远程控制设备，而应 当是二者的结合，使用主手机器人不仅能控制远端设备完成某种操作，还要能将 远端机器人的工作状态反馈给操作者，实现人虚拟现实远端机器人的双 向交互。主手与人的交互是人与现实世界的交互的手段，所以主手与人的交互要 符合人类对世界的理解和习惯。3 ，自律性：自律性是指虚拟环境中的物体依据 物理定律动作的程度。用主手控制远端机器人对现实世界进行某种操作、主手反 馈对操作者的力觉要符合物理定律，比如：远端机器人抓取物体时，主手的力反 馈应当符合牛顿力学定理。 人的触感感知包括触摸反馈和力量反馈所产生的感知信息，触觉装置与其相 识，具有两大类功能：触觉模拟( t a c t i l es i m u l a t i o n ) 和力觉反馈( f o r c ef e e d b a c k ) 。 前者主要通过推压，刺激，振动或热效应等方式作用于皮肤表面，侧重于人对事 物的微观感觉，如物体的表面粗糙度，质地，纹理，形状，温度等。后者一般提 第二章力感原理及力矩电机法 供力反馈以影响操作者手指或手臂的运动，或提供运动反馈来影响人的操作力， 它侧重丁从宏观，整体的角度，给操作者提供整个身体，尤其是手指，手腕和手 臂对运动感知力的感受。 机器人要实现力反馈，我们先要了解力的控制范围：在手术中，为了适应人 的操作需求，工具所能施加的最大外力应该达到人手所能产生的最大力。一般来 说，人的手指町以施加3 0 5 0 n 的瞬时力，4 7 n 的持续力。人手的安全舒适操 作范围恐存最大可施加外力的1 5 以下，食指、中指、无名指的安全施加力分别 为7 n ，6 n ，4 5 n 。t e n e t a l 在1 9 9 4 年的实验中得出【l8 1 ，人体的最大可控力从手 指端部关节的1 6 5 n 逐渐增加到肩关节处的1 0 2 3 n 。表2 1 为人体各个关节处的 最大可操作力和其百分比偏差。应该注意的是，人可施加的最大可操作力只能作 用很短的时间。长时间在最大操作力下工作会降低人体的感觉和控制能力，还会 产生不舒适和疼痛感。所以操作时要选择合适的操作力，避免操作者操作的不舒 眭。 表2 1 人体各个关节处的最大可操作力和其百分比偏差 被测群体参数腕骨关节手腕关节肘关节侧肩关节前肩关节 力( n ) 1 7 63 5 54 9 16 8 78 7 2 女性 偏荠( )4 5 03 1 23 1 93 6 72 5 4 力( n )4 5 16 4 39 8 41 0 1 51 0 1 6 男性1 偏差( ) 4 4 75 0 2 2 4 70 5 l0 4 6 力( n )4 6 25 5 57 8 o 1 0 2 3 1 0 1 7 男性2 偏芹( )4 2 42 6 52 7 90 4 6o 8 6 圳此，在实现主手力感觉时，应充分考虑人体的力控范围，从而更好地实现 力感觉。 2 1 2 力感机构 力感机构对整个力反馈设备的性能影响非常大，直接决定了整个力反馈设备 的工作空间、操作灵巧度、控制方法的执行效率和反馈力的效果等性能。 力反馈设备按照其安装位置可分为固定式( g r o u n d - b a s e d ) 和穿戴式 ( b o d y b a s e d ) 两种类型，前者安装于固定桌面等位置，后者则安装于操作者肢 第二章力感原理及力矩电机法 体上，由人体承受设备重量。就目前国内外常见的固定式力反馈设备而言，其机 械结构主要有三种：磁悬浮式、悬线式( s t r i n g e do rt e n s i o n b a s e d ) 、组合连杆式， 其中组合连杆式结构应用最为广泛。 目前，大多数的力反馈设备都采用各种连杆组合成为具备一定运动自由度的 空间结构，各连杆之间由关节相连，通常驱动器和传感器均安装于各运动关节上 以驱动连杆运动或测量连杆间的相对位置。这些关节有许多不同的类型，可以是 滑动的、旋转的或球型的。其中，球型关节虽然具有3 个转动自由度，但是难以 在各自由度方向上被驱动控制，所以一般不用于需要驱动的关节上，而只用于非 驱动型关节。滑动关节是线性的，可以由汽缸、液压缸或线性电机直接驱动；而 旋转型关节大多由电机驱动 根据连杆的组合形式又可以将连杆式力反馈设备分为串联式、并联式、混联 式。在串联式布置中，各连杆通过关节首尾顺序连接，最后的连杆作为末端操作 手柄；并联式则类似于并联机器人构造，操作手柄由几个连杆同时支撑，各连杆 彼此独立；而混联式则是串并联式的组合。串联并联布置形式具有各自不同的特 点。著名的p h a n t o m 属于串联式布置。 2 2 力感实现原理 2 2 1 力感实现用元器件 实现力觉反馈的装置或原理有多种多样，如传统的电机，液压与气动装置等， 近年来，人们还发明了多种力触觉反馈装置，如，e r ( e l e e t r o r h e o l o g i e a lf l u i d ) 功能液体，形状记忆合金等等【2 0 1 。 1 电机 电机是常用的动力装置，考虑到主手所用电机的功率一般不大，较少采用交 流电机，最常用的是直流伺服电机。通常将电机的功率、转速、调速性能作为电 机的主要参数，但是电机是用来给人手加力的，通常处于极低速或者也可以看作 堵转状态，因此与普通电机相比有不同的使用方式，作为力反馈装置，我们更关 心直流电机的输出力矩在堵转或低速状态下的控制性能。电机体积小，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。 第二章力感原理厘力矩电机法 圈2 - i 电机 2e r 液体 电流变液( e l e c t r o r h e o l o g i e a lf l u i d ) 简称e r ，发展历史已经有近5 0 年了。 e r 是一种智能材料，它的屈服应力、弹性模量是电可控的。e r 液体通常由具有 高介电常数的固体微粒均匀分散在低介电常数的绝缘油中组成，固体微粒材料的 性质决定e r 性能的好坏是e r 的关键成份。 妥墨 图2 - 2e r 液体原理 图2 - 2 表示这类物质的原理，当外加的电场小于某一临界电场时，e r 液体 不产生电流变效应，它的性质类似于普通液体，当外加电压超过临界电压时，液 体内无序的固体颗粒在电场作用下按一定规律捧列，从而表现出可控的库仑摩 擦，也就使得上下两极间的动力传输特性表现出可控的性能。目前已经能将这种 液体应用于汽车变速器、力觉再现的力反馈装置等场合。e r 液体是一种比较新 型的技术，它的输出有很好的线性和稳定性，也有很高的灵敏度，输出力矩可达 几个n m ，但它的临界电压约为1 0 0 伏，工作电压要上千伏，所以它的安全性 和体积、重量都限制了其应用，另外，这类技术目前还没有系列化的产品。 3 形状记忆台金( s h a p e m e m o r y a l l o y ) 1 2 2 1 形状记忆合金( s m a ) 是一种有形状记忆效应的新型功能材料，其原理是： 由两种或多种金属元素组成的合金在不同温度下，晶体结构将转变为另种结 构，由于这种晶体结构与温度呈对应关系，材料具有了形状记忆功能。控制材料 的温度使得材料发生形状变化就能输出一定的力或力矩。 第二章力感原理厦力矩电机法 移鬯曾 矿固重，叁 高温时形状低温时形状加热时动作方向 图2 - 3 几种$ m a 驱动元件 与其它驱动方式相比s m a 驱动器设计简单结构紧凑无噪音，成本低。 已经用s m a 材料制成的驱动器可以输出5 n 的力，这样的性能指标完全可以满 足要求。s m a 的响应频率取决于元件的热交换额率，由于增加通过元件的电流 强度能很容易地控制加热过程，而冷却速度只受元件表面热传导的影响，所以通 常要采取一些措施以提高冷却速度，这样在每一个驱动器上都要有相应的热交 换系统，并要求对热交换系统进行控制，在要求结构紧凑、简单而且自由度多的 主手中显得比较繁琐。 4 渡压与气动元件 除了电机外，液压与气动驱动装置可能是使用最多的动力元件，在机器人领 域和力觉临场感系统中都有较多的应用和研究，液压与气压传动有传动平稳，易 于布局，输出力矩或力太，易于控制等优点。他们的缺点是需要专用的动力源， 输出特性具有非线性，两种装置对使用环境都有一定的要求，设计相对麻烦。 综上所述由于本课题所研究的主手机器人驱动负载小，要求结构简单、定 位精度高+ 所以选用了电气骣动方式。机器人的驱动装置为直流电机，它通过电 机轴与传动丝配合，将电机的旋转运动转递4 手柄。选用电气驱动方式，使得整 个系统具有结构紧凑，操作方便等优点，适合于主手机器人。 2 2 2 电机法实现力蒜觉 采用电机法实现力感觉肘般要用到丝传动，如图2 4 所示。 ，敞恿 第二章力感原理及力矩电机法 囤2 - 4 电机法实现力感觉原理图 电机的输出轴上绕有传动丝，而传动丝的两端都固定在一个转轮上，这样传 动丝和转轮之问构成封闭丝传动回路。不管是转轮固定不动、电机转动，还是电 机固定，转轮转动，运动件都必须克服电机转子和定子间产生的转矩。此时，当 人手与运动件一起运动时，由于克服转矩就会感受到力，从而实现了力感觉。也 就是说，电机所起的作用实际上是阻力矩。 采用丝传动的原因是，可以添加半径较大的丝盘，一方面便于预紧，也可 以有效避免齿轮传动时的齿隙误差，还可以消除齿轮传动引起的摩擦力对力反馈 的影响；另一方面，有利于采用输出值较大的电机，从而提高力感糖度。 根据我们设计的机器人主手( 如图2 - 5 所示) ，力感觉的具体实现过程如下： 第一关节： 底座采用悬挂的方法周定于水平面，电机i 固定在电机箱中，与底座固连。 关节杆1 与转盘l 固定连接，绕底座中的圆柱腔进行水平面内的旋转：转盘i 上 缠绕传动丝，并连接于电机l 的头部，构成封闭回路。 当关节杆l 绕底座进行旋转时，由于转盘1 与其固定连接，转盘l 将随关节 杆l 同时旋转。这样，传动丝将随转盘1 进行转动，从而带动电机l 的头部进行 旋转：而电机l 固定在电机箱中，无法进行转动。这样，关节杆1 转动时，必须 克服电机转子和定子间产生的转矩，从而使操作者感受到力的作用。 第二关节： 转轴1 通过一个叉形框架与关节杆l 固定连接关节杆2 绕转轴l 进行竖直 面内的旋转。电机2 固定安置在关节杆2 的一端，在操作者操作关节杆2 另一端 进行旋转运动时，电机2 将随着杆2 一起绕转轴l 进行旋转。由于转盘2 3 是固 定连接在转轴1 上的，电机2 的转予部分也被传动丝限制在转盘2 3 上，电机要 进行旋转，也必须克服电机转子和定子间产生的转矩，从而使操作者感受到力的 作用。 圈2 - 5 主手模型 第三关节： 关节杆3 绕关节杆2 的偏置部分进行旋转，同时与传动杆铰接；而传动杆与 同步杆铰接。同步杆的另一端安置电机3 。由于关节杆3 与同步杆之间构成平行 连杆机构，同步杆和关节杆3 相当于平行四边形的两对边，同步杆将髓关节杆3 进行同步旋转。同关节杆一样，电机3 的固定连接在同步杆上，而头部，即转子 部分通过丝缠绕在转盘2 3 上当电机进行旋转时，也必须克服电机转子和定子 闻产生的转矩，从而使操作者感受到力的作用。 由于三个关节杆在结构上实现了良好的自我平衡，主手的自重基本不会影响 到力感觉的精度而关节摩擦力等无法通过自平衡解决的问题可以通过实验研 究后，通过控制进行补偿。 2 3 传感器 力反馈设备中的各种传感器主要功能是测量机槭部件中各关节的位置、速度 以及驱动力等参数，提供反馈信号给控制器和处理器，以实现对反馈力的实时计 算和控制。另外力反馈设备中可能还需要些特殊用途的传感器，如检钡5 操作者 是否握持操作手柄的传感器。 传感器是一种能够感受被测量信息的检测装置，并能将这些信息按一定规律 转换成电信号或其他形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储，显示、 第二章力感原理及力矩电机法 记录和控制等要求。各种传感器从原理上讲，般都是利用各种物理或化学效应 将各种物理量转换为对应的电流或电压信号，经过信号过滤放大等处理后，这些 信号可以作为控制器或处理器的输入参数。传感器一般由敏感元件、转换元件、 基本转换电路三部分组成。 被测量电信号 图2 - 6 传感器组成 按照输出信号类型可以将各种传感器大致分为数字式和模拟式两大类，传感 器输出的模拟信号需要经过模数( a d ) 转换才能被数字式处理器所接收，而 数字式传感器有时也需要经过数模( d a ) 转换才能被接收。从用途上讲，力反馈 设备中常用的传感器主要有以下几种类型： 1 、位置传感器 主要用于检测力反馈设备中各关节和连杆的位置，既可以用来测量位移( 包 括角位移和线位移) ，也可以用来检测运动，例如编码器检测到的位置信息可以 用来计算速度。以下是几种常见到的位置传感器： ( 1 ) 电位器 电位器是一种典型的位置传感器，可分为直线型( 测量线位移) 和旋转型( 测量 角位移) 。电位器通过电阻把位置信息转化为随位置变化的电压，结构上既可以 是绕线式的，也可以是导电薄膜式的。薄膜式电位器输出连续、噪声低，可以对 其进行微分以得到速度，而绕线式电位器的输出是步迸式的，无法进行微分而得 到速度。 ( 2 ) 编码器 编码器是一种能够检测细微运动，输出数字信号的简单装置，有增量式和绝 对式两种基本形式。增量式编码器类似于积分器，只能检测转角位置或直线位置 的变化，不能直接指示位置的实际值。因此，除非知道起始位置值，否则就不能 确定当前位置值。在所有利用增量式编码器进行位置跟踪的系统中，都必须在系 统开始运行时进行复位。而绝对式编码器由于每个位置对应着唯一的编码，所以 不需要已知起始信息便可以在任意时刻确定当前的精确位置。 按照工作原理编码器可以分为磁阻式、霍尔效应式、光电