（测试计量技术及仪器专业论文）遥操作机器人系统及多指灵巧手的设计与算法研究.pdf

摘要 临场感技术赔入机交互的核心，它通过传感器获樽远处跌机械手与环境的各种交互信惠，包括 视甓、力镦、触觉、接近觉、玲热觉、位置运动觉信息，弗反馈到本地操作者处，由相应装置将这 些信息再现给操作者，使操作者产生身临其境诗句感觉，从而有效地完成作业任务。工作在交互方式 f 的螨场感遥操作机器a 系统具有投大的现实惑义帮理论意义。牯场感邂掇作极嚣人系统楚在人所 不能达到的恶劣、危险环境和远地未知环境下作业的有力手段。其中作为从机器人执行机构的手爪， 瓣为必矮安装在撬器天手魏t ，瑟良要求手艰褡瑷，l 、霾鬣轻、多感觉基魂终可鼗。因建绘浚嗣繁 柬了困贿。 本文结合国家自然科学基金项目“分布式和主动式力，触觉建模理论与方法”和霍英东教育基 金项目”基于传感器信息融合的临场感机器人艘拟环境建模研究”对远程遇操作机器人系统进行了 研究，主餮完成从机器人多指灵巧手的机械殴计、传感器的电路设计、控制系统的软硬件设计及传 感器多信息融台、二撂手的辘棱接囊鞠从枧嚣久瓣抵取壤旗磅究。 本文首先介绍了遥操作机器人系统实验演示平台，并以机器人运动学为基础，从数学角度对从 机器人进行了运动学的分析，推导了m o t o m a n s v 3 x 上业机器入的运动学正解与逆解；然后详细 叙述了具有力觉、接近觉、冷热觉、温度觉、及角度传感器的多感觉三 六关节灵巧机器人手爪的 殴计力法，其中包辐了机械结构设计、p s o c 单片机系统的软硬件设计、传感器及其测量电路设计、 驱动电路和保护电路的设计及土位专眭软件设计：接着基予所设计的三指手，进毒亍了多传感器绩息鞋 台的算法研究；最后进行了二指手的机械抓取仿真，并给出从机器人实现自主抓取的策略。 美键漏：力蹙l 基蘩感遥撵佟辊器入襁器入手瓜爨取舅法p s o c ( 片上鼯羞系绞) 传感器 a b s t r a c t t e l e p r e s e n c ei st h ec o r eo fh u m a n - m a c h i n ei n t e r a c t i o n i nat e l e o p e r a t i o ns y s t e mw i t ht e l e p r e s e n c e ， i n f o r m a t i o ni n c l u d i n gv i s i o n ，f o r c e ，t a c t i l i t y , a p p r o a c h ，c o l d h o ts e n s o r , m o t i o no ft h er e m o t es l a v er o b o t a n di t se n v i r o n m e n ta r ef e e d b a c kt ot h el o c a lo p e r a t o ra n dm a k et h eo p e r a t o rf e e lb e i n gi nt h er e a l e n v i r o n m e n t ，s ot h a th ec a np e r f o r mt e l e m a n i p u l a t i o nt a s ke f f e c t i v e l y t h et e l e o p e r a t i o nw o r k si nt h e i n t e r a c t i v em o d eh a sg r e a tp r a c t i c a lv a l u ea n dt h e o r e t i c a li m p o r t a n c e t e l e r o b o ts y s t e mi sa l le f f e c t i v e m e a s u r ef o rw o r k i n gi nt h eh a z a r d ，d a n g e r o u so rr e m o t ee n v i r o n m e n t a st h ee x e c u t i n gm e c h a n i s mo f s l a v e r o b o t ，t h eg r i pm u s tb ea s s e m b l e do nt h ew r i s t ，s oi tm u s tt ob el i t e l ev o l u m e ，l i r l eh e i g h t ，m u l t i s e n s o r , a n d o p e r a t e sc r e d i b i l i t y s oi ti sd i f f i c u l tt od e s i g n i nt h i st h e s i s ，w ew o r k e do i lr e m o t et e l e o p e r a t i o nr o b o t i c ss y s t e m ，w h i c hi sap a r to ft h ep r o j e c to f d i s t r i b u t e da n da c t i v em o d e lb u i l d i n go nf o r c e t a c t i l i t y , w h i c hi sf u n d e db yt h en a t i o n a ln a t u r es c i e n c i f i c t e c h n o l o g yf o u n d a t i o n ，a n di ti sa l s oap a r to f t h ep r o j e c to fv i t u a le n v i r o n m e n tm o d e lb u i l d i n gr e s e a c ho n t e l e p r e c e n tr o b o tb a s e do nm u t i s e n s o r si n f o r m a t i o nf u s i o nw h i c hi sf u n d e db yt h eh u o y i n g d o n ge d u c a t i o n f o u n d a t i o n m a i nw o r ki nt h i st h e s i sf o c u so nm u t t f i n g e rd e x t e r o u sh a n do fs l a v er o b o ti n c l u d i n g m e c h a n i c a ld e s i g n ，c i r c u i to fs e n s o r sd e s i g n ，t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g no fc o n t r o ls y s t e m 。 m u l t i s e n s o r si n f o r m a t i o nf u s i o n ，m e c h a n i c a ls i m u l a t i o no f t h r e e f i n g e rh a n d ，a n dt h eg r i ps t r a t e g ys t u d y f i r s t l y , i nt h et h e s i s ，t h et e l e o p e r a t i o nr o b o te x p e r i m e n ts y s t e mb u i l tu pb yo u rr e s e a r c hg r o u pi s i n t r o d u c e d ，ad y n a m i ca n a l y s i so ft h er o b o tb yu s i n gm a t h e m a t i c sm e a t h o db a s e do nr o b o td y n a m i c si s m a d e ，a n dt h ed y n a m i cp o s i t i v er e s o l u t i o n r e v e r s er e s o l u t i o no fm o t o m a n - s v 3 xi n d u s t r i a lr o b o ti s d e d u c e d s e c o n d l y , t h ed e s i g n i n gm e t h o do ft h et h r e ef i n g e r - s i xj o i n ts m a r tg r i p p e rw i t hv i s i o n ，f o r c e ， t a c t i l i t y , a p p r o a c h ，c o l d h o ts e n s o r , m o t i o ni sd e s c r i b e di nd e t a i li nt h i st h e s i s ，i n c l u d i n gm e c h a n i s md e s i g n t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g no fp s o cp r o c e s s o r , s e n s o r sa n dm e a s u r e m e n t a lc i r c u i td e s i g n ，d r i v ea n d p r o t e c tc i r c u i td e s i g n ，a n dt h es y s t e ms o f t w a r ed e s i g no ft h ec o m p u t e r t h e nt h em u l t i - s e n s o r sf u s i o n r e s e a c ha n dm e c h a n i c a ls i m u l a t i o nh a sb e e nd o n eb a s e do nt h ed e s i n e dt h r e e f i n g e rh a n d ；l a s t l yt h eg r i p s t r a t e g yo f g r a s p i n gi sg i v e n k e y w o r d s ： f o r c et e l e p r e s e n c e ，t e l e - m a n i p u l a t o r , r o b o tg r i p p e r , g r a s pa l g o r i t h m ，p s o c , s e n s o r 珏 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件和电 f 文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相 一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或 部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名 聊虢翎z o o s s 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题研究的应用背景及其意义 遥操作机器人( t e l e r o b o t ) ，又称遥操作控制机器人( t e l e m a n i p u l a t o r ) 是指在人的操作下能够实 现在人所难以接近的恶劣、危险环境或远地未知环境完成比较复杂操作的一种远距离操作机器人系 统。 发展全白土式t 作的机器人一直是机器人学者所追求的目标，随着现代科学技术的迅猛发展， 机器人技术也取得了令人振奋的成就。尽管机器人智能在某些方面有比人类更长足的地方，然而9 0 年代以来，人们对智能机器人研究的反思却表明：由于在机器人学的几项支撑技术( 结构、控制、 传感器和人：智能等) 还不能满足实现全自主所需的要求，机器人的感知、决策、行为能力还远不 能达到人类的水平。要研制出在复杂、未知或变化环境下的全自主式智能机器人将是今后相当长的 时间内难以达到的目标”h 2 3 4 1 5 1 。 而发展遥操作机器人系统技术，让人参与到人一机器系统中，通过人机交互，既能充分利用人 的学习、分析、决策、创造能力和主观能动性，同时又发挥机器人的诸多长处如更高更准确的感知 能力、工作能力、不畏恶劣环境、无心理情感作用等。交互式遥操作机器人也因此成为智能机器人 研究的前沿和热点，同时也成为目前最有价值的机器人技术。 遥操作机器人系统的实现，将极大地改善机器人的作业能力和人工智能程度，人们可以将自己 的镪慧固枧器人的适应能力蛔结合从甄完成危险、有害戚远距离环境下翁作业任务，如空间摄索、 海洋开发、远程医疗护理帮手术、远程教学、远程制造、遥操作等。 遥操作机器人系统的研究是时代发展的要求。而随着空间技术、海洋技术和瓤子能技术的迅速 发震，遥锈需要醑稍整能程这种危险瘸来知环境中二弦鹣撬器入，另外，溪实季会因为遣罐空闻豹 距离而影响异地专家共同作业，减少了专家资源的利用率，为了充分发挥专家的辆射作用和聚集集 体智慧作业也需要借助遥操作机器人系鲮，因此工作在交互方式下的遥操作机器入开始受到广泛关 涟和研究。特剐是近几年来，随着计算机网络控术的飞跃发展和微型处骥器芯片技术的发糕，遥操 t r 机器人不仅有了一个开放的、共享的信息传输通道，而且也育了微型化和集成化的硬件支持，这 麓罄为遥搡俘摄嚣太技术鹣广泛应震提供了毫好戆基礁。 目前遥操作系娩技术已经应用于空间探索、海洋开发、远程医疗和远程教育蒋领域，圈内外的 成功经验证明：具商临场感技术的避操作机器人由于能大大地掇赢遥操作的能力，因此具祷缀大的 窑麓徐债。狠多国家在遥控橇器入特剐是带裔临场惑技术的遥控机器入及其有关设备豹磺潮工作中 相继投入了很大力最，它不仅在核工、业中的许多部门广泛应用，而且在工业、深瓣、医学殿空间领 域中都有极其l 泛的应崩。我国近年采在妊场感遥操作方露投入瞧较大，妇国家8 6 3 、9 7 3 耪| 垂然科 学基金研究项目。 遥操作不同于遥控，遥操作是人参与到远程作业中弗通过临场感来实现对日标的有效操作的。 恼场感( t e l e - p r e s e n c eo i t e t e e x i s t e n c e ) 技术楚捂随着避溱 乍豹嚣要两疆粕的与交强技术密切耜关的 新概念，它将远处遥控机械手与环境的信息( 包括视觉、力觉、触觉等信息) 反馈到本地操作者处， 搜操作者产生身临篡境的感赏，从蕊赢效地完成遥操侔任务。峻场感还霹以被看佟是一个低失真鲍 遥控揉 筝系统，遥控机械手根据接收绷的操作员指令，完成与操作员动伟相似的的动作，现场的机 械手通过传输网络将环境的信息反馈给操作员，使他获得在现场工作的感觉，这使操作员可以对作 送行耱镶戆判断，扶两实蠛控制远处获援槭手完袋| 夸多复杂懿王季# 。 临场感分为视觉临场感和非视觉临场感。视觉临场感在遥操作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。力赞临场感技术和多信息融合技术的研究才开始不久。对人类获取 信息链力熬研究表绢，筏觉簸弱惑可以为遥羧攥捧提喾乏大部分僚慧，对撩作者认识操作环境有狠大 的帮助，视觉信息所占的比例最大。但是由于现在视觉凋像模式识别技术发展水平的限制，机器人 东南大学坝十学位论文 j 环境相h 作j f j 时，比如组装i ：什、插销入孔等，如果仅仅提供视觉图像信息，操作者从中很难获 得精确的位置信息和真窑的感受。借助于力觉临场感的引导操作者可以高效地实现这种复杂利精 细的作业任务。力觉临场感是指将远地的从机器手与环境的相互作用力通过传感器实时地反馈到本 地操作青的下部，使操作者产生身临其境的感受，从而实现对机械手带感觉的控制。冈此如果在本 地控制站将土机械手设计成“手套”式的多指手结构遥远处从机械手也设计成多指手形式，这样 当控制者的手指套入刮控制站多指手的“手套”中带动多指手运动时，遥远处从机械手指也起动 作，而当从机械手指j 环境开始接触时，把接触信息传递剑主机械手端，作用丁控制者的手指上， 使控制者感觉到手指有接触感堂同时将从机械手备手指与环境作用信息传递到主机械手端，使控 制者感觉刨符_ f 指0 4 环境的作蹦信息。通过这种临场感技术将从机械手与环境的触觉、接近觉、冷 热觉午【j 力觉反馈到土机械手端，使得操作者能立即获得现场的总体印象，好像在现场直接操作一样， 这将会极人地提高操作人员的现场感知能力，从而使操作人员更有效、更准确地完成各种复朵任务 1 6 7 8 1o 所以将这种临场感技术j = i f 多指手的遥操作系统中，对遥操作性能的提高具有重要的现实意 义。 箍j ：遥操作机器人的重大意义和r 阏的应用前景，美、日和西欧各国竞相开发相关的技术。德 团参加欧洲宁| i 亢局审州实验的主要项目为“人参与的自由e 行”( m t f f m a n t e n d e df l y e r ) 该项目 的土导思想是宁航员只须每隔、p 年袁照看空间机器人室，而其余的时间，通过监控自主方式进行i 。 就辂个欧洲来说，1 9 8 5 年以前，1 没有任何有关空间机器人方向的研究经验，所以1 9 8 5 年德国宇航 院提r 项研究计划r o t e x ( r o b o t t e c h n l o g ye x p e r i me n t ) ，对空间机器人作探索性蛮验。这是 门动化领域在审问进行的酋次实验，并于1 9 9 3 年搭载美国航天b 机成功地完成了一系州窄问作业。 r o t e x 计划的主要技术之。是成功地采_ l jr 多传感器智能手爪系统实现空问机器人的局部 主操， 如图l l 所1 i 。美i 訇n a s a 针对守问遥操作研制出具有初步临场感的过程机械手f t s 系统, bf d t f l 系统 l 、1 8 俸电谨2 一维蠲搏3 预涮傍粪4 远程辩传感器编箨5 收蹬嚣6 远程禽令通道饼崽劐地7 最节 8 审问实啦室9 关节、挣制t ( 远距离测呈巨帆l l 指卜测距机1 2 小型瓤体相机1 3 力力矩传感器i4 泉顺 耶疆1 5 蝌遵的c c d 摄像艇1 6 媸感器和燕节总线1 7 旗 二馋媾耩的控制l g 收发嚣2 0 蛙送辫2 l 接牧耩 圈1 1r 0 住x 计划的主体特征 。井丁1 9 9 3 年将其裁入航天e 机中，1 9 9 4 年8 ) 7 蓑围加州大学伯兜利分校的g o i d 确毽首次将一台 s c a r a ) i ) ! i + 机器人道遥w e b 服务器连缓翻弹箨辊互联丽上，这是登器上萋 二i m e r n e t 的遥掇作机嚣 人的第次尝试，它允i 下操作者通过i n t e r n e t 远程控制该机器人饪充满沙f 的空问中进行挖蜘作业。 跫有蛮燃意义的楚1 9 9 8 年美趟n a s a 的b a c k e s 簿人建立熊w i t s 系缝，分鸯崔冬她躲专家都露使瑶该 系统对火疆漫游机器人进行远程规划和遥揉髂，英国剃积极利雕遥搡作技术改造传统的机电系统， 行：成功地研制了具有力反馈感知功能的远程挖掘机械手。美国和日本则根据远程医疗的需要，先后 2 第一章绪论 开发山外科手术辅助远程机器人系统。我国机器人遥操作的研究相对较晚，国家8 6 3 计划自动化领域 智能机器人主题以及航天领域空间机器人专题在】9 9 3 年就开始将遥操作机器人技术列为关键技术加 以研究，国内有关高校和科研机构也先后开展了遥操作机器人技术的理论和应用研究。 一般来说人类主要通过视觉、听觉、味觉、嗅觉、力触觉、冷热觉、温觉等米认知我们周围的 廿= 界，所有的这些感觉经过人的大脑进行信息处理和融合，形成了我们对这个世界的各种概念，并 指导我们试图去适应或改变我们周闸的环境。人类约6 0 9 0 的信息从视觉和力触觉获得，是我 们最重要的感觉，因此临场感技术主要包括视觉临场感和力触觉临场感，此外根据不同的需要， 还可以有听觉或声觉、嗅觉临场感、冷热觉、温觉等，但是这些方面的研究和应用还很少。在遥操 作系统中视觉信息足必不可少的，可以想象出，没有视觉信息的遥操作机器人系统可能会是一个 瞎子摸象的系统。但是，人类视觉是一个复杂的生理的过程，同时也受到心理过程的影响产生错觉， 因此人的土观视觉有时候可能是不可靠的，另外由于当前视觉处理技术的限制，因此，在遥操作机 器人系统中的本地端，仅有视觉反馈也是不够的，再者，无论是自然生物视觉还是人造的机器视觉 都只能感知世界的外部信息，如人小、形状、色彩等等，而不能感知物体的内在信息，如硬度、重 最、温度等重要特性，冈此遥操作机器人系统中还必须提供其它的信息。实际上，在人类大脑功 能中，有近2 3 用于管理触觉信息，在人类的实践当中，触觉提供了更精确的定位信息和更多的关 r 现实世界物理特性的信息。触觉应具备四种基本功能：接触觉、压觉、滑觉和力觉。力觉是作业 过程中对来自外部的力的感知，因此是三维力和三维力偶矩，它和压觉的不同在于压觉力是垂直于 力接触表面的一维力，与滑觉的不同在于滑觉是平行于接触表面的一维力，因此，力觉是触觉最综 合的方式，也是应用最广泛的感知形式。在遥操作机器人系统中，机器的触觉是基于机器与目标物 体的直接接触所产生的力的感觉，可以作为视觉的补充完成更精细的作业，可以在视觉受限的情形 f 代替视觉，可以在操作过程中提供更确切的信息，如机器手是否能抓牢物体或是否能抓坏物体。 在没有力反馈的遥控操作系统中，机器人严格按照操作者的指令运动，机械手的实际位置与指令位 置的误差会带来较大的不必要的接触力和力矩，这种系统很难保证机械手的安全和可靠性。而力觉 临场感系统则完全克服了这些缺点具有极大的灵活性和极高的效率。而冷热觉和温觉反馈可以使 操作者感觉到作业环境的冷热和温度情况。试验表明，好的力觉反馈可以使人在有或无视觉反馈的 情况r 执行远地的任务，且性能优于没有力觉反馈的情况，研究表明提供力反馈可以使完成任务的 时间减少4 0 。冈此，一个比较完善的临场感系统中要求同时实现视觉和触觉，在加上冷热觉和温 觉的信息融合，操作者可以很接近真实地上作在“临场感”的状态，极大地提高了操作的准确度和 效率。 1 2 国内外硬究动态 1 2 1 遥操作中临场感技术的研究情况 譬盎2 0 世纪5 0 年代后期，美国檬树岭季【l 阿尔贡国家实验室开始研制遥控式搬械手，粥予搬运 其有放射性的材料。现在由于力觉临场感技术在遥控擦作中具有非常重磐的意义，因此美翻、日本 以及西欧些国家的研究人员近年来对遥控机器人的力觉i 临场感进行了较为深入的研究，包括：遥 控撬器a 系统粒稳跫蛙分辑、瑟重延嚣冁场感系绫稳定性缝彩嚷、龙觉强璐臻理想黩辘躲实瑰等。 ( 1 ) 稳定性分析稳定性分析和稳定性设计一直是邋控机器人领域最煎要的研究方向，在1 9 8 8 年以前，系统的分析都是采用基于经撒的控制系统稳定性分析方法，直到1 9 8 8 年夔国的r 箍 u 等首 先提出采 耨一端强电网络毽论来分耩遥控辊嚣入力反馈控箭系绕的稳定性，可懿掰该方法分析系统 的稳定性和建立系统稳定的条件。在此以后，力反馈系统的稳定性分析和稳定条件建立主爰是基于 j 端口髓终的无源镶理论，爨龅保谖遥控枫器人力反馈系统蛉无源牲裁霹毁保证整个遥控机器入襄 统韵稳定性。 ( 2 ) 时延影响力觉l 隘场感技术在逐步应用丁空间和深海作业中，但由于本地操作者与近地机械 手静距塞越来越长，两者之阏传穗售鸯薛遥禳辩延已成为影穆遥撵薛熬突斑惩蔻。1 9 8 8 年g a j u 首先 从理论上分析造成系统不稳定的原因在于时延避成通讯传输线的有源性，因此只要使整个系统能保 持无源性就可以克服时延的影响。1 9 8 9 年荚爨蛇a n d e r s o n 和s p o n g 利用散射算予分析法瑶论来解 3 东南大学硕士学位论文 决传输线的有源性，提出了一套保证通讯环节无源性的控制算法。1 9 9 1 年n i e m e y e r 和s l o t i n e 从能 量传输的角度出发，提出了波变量( w a v e v a r i a b l e s ) 的概念，并通过渡变换的方法导出了套类似 的无源控制的算法，保证系统在时延下的稳定性。1 9 9 3 年h a n n a f o r d 的实验表明几种无源控制算法 都能保证系统在时延下的稳定性，但这种稳定性的取得是以降低系统的临场感效果为代价的。因此， h a n n a f o r d 提出今后的研究应以稳定性和性能两个方面同时来考虑消除时延的影响。l a w r e n c e 从透 明性的角度提出一种时延下最优透明度结构，得出了系统稳定性和透明性目标是一对矛盾的结论。 ( 3 ) 力觉临场感理想性能的实现对于遥控机器人力反馈的设计目标就是要实现力觉临场感，即 实现遥控机器人从手( 环境) 跟随主手( 本地工作站) 的位置跟踪以及主手跟随从手的力跟踪。对 于力觉临场感性能的描述，1 9 9 3 年美国的l a w r e n c e 从透明性的角度具体描述了实现力觉l l 缶场感， 认为在理想情况f 遥操作系统应该是完全透明的，操作者在本地操作就好像直接同遥远处环境接触 一样。1 9 9 4 年日本的y a s u y o s h i 比较全面地叙述了力反馈系统的理想操作性能，并提出了定量分析 系统操作性能的指标参数( j 参数) ，为评价系统操作性能提供了分析方法。 我国力觉临场感技术研究起步较晚，清华大学智、台肥智能机械研究所等先后开展对力觉临场 感系统的研究工作哈尔滨工业大学机器人研究所也在开展对临场感技术的研究。2 0 0 4 年9 月哈_ 二 大机器人研究所在“8 6 3 ”计划的资助下，联台北京航空航天大学机器人研究所、北京积水潭医院、 哈尔滨医科大学附属第二医院等单位共同研制出大一小两种类型的接骨机器人系统，大型系 统侧重于跟踪国外先进技术，用较大的投资建立适于研究和应用的全数字医疗平台，开展医学 图像处理、回络遥操作、自动化手术、手术虚拟仿真等医疗机器人通用技术的研究及在接骨手 术中的应用；小型系统侧重于实用化研究，突破了经x 射线图像导航机器人完成髓内钉的远端 孔锁定手术的难题。东南大学仪器科学与工程系机器人传感器实验室对力觉临场感技术进行了理论 和实验的研究，并取得了很多重要的成果，如2 0 0 4 年1 0 月完成了国家8 6 3 项目“遥操作机器人的 智能控制技术及其手控器研究”课题。 1 2 2 遥操作中多指手的研究现状 机器人多手指灵巧手的研究属机器人领域的前沿课鼷，具有广阔的应用空间。在太空探索研究 中它可域代替宇航翁在恶劣筑险的太空环境中避行一些簸杂的襻娩，电可以安装在太空智能机器入 的胳臂上，独立到舱外进行一些长时间的困难而危险的维修、安裴作业。也可以在具有核辐射的危 睃环壤中安垒哥靠城工终。盍霪卡咒年寒，盘 二多传感器等瓜在空瓣在孰鞭努中戆重葵佟耀，瓿器太多 传感器手爪技术成为当前机器人领域研究的热点，很多国家都投入了大量的力量进行研究，并取得 了一些成果。 壹予多疆手类似手人手懿结褐，谯探蔽韵体薅对秘体弱形斌嶷 乏有缀强的适盛辘力，柱操佟物 体时具有很好的灵滔性，因此近几年来多指手受到广泛的重视，阑内外许多学者对多指手的运动学、 摊取的力封闭性、瓠取规划、动力学以及多指乎姆控割游问题迸抒研究。先了探讨每多搬手摄取和 擞作有关的辅题，潮内矫已经研翎了多种多措午，其中最有代表性的是美国s t a n f o r d 大学研制的 s t a n f o r d j p l 灵巧手、德国的舱内机器人r o t e x 的多传感器手爪和d l r 手( 手指设计如图1 2 ) 所 示摹妥嚣：本e t s v i i 中孝蓦密撵佟橇器天瓣3 指多健感器灵巧手。蓬瘫有中落秘学院会耀智能嘏壤疆究 所、北京航空航天大学、哈尔滨工业大学等也开展了机器人手爪的研究。菠国s t a n f o r d 大学研制的 s t a n f o r d j p l 灵巧手，设计有3 个手指9 个关节，采用力耦合软索传动方式，有十二个直流力矩电机 骠动，鬟备力传懑器，并采臻嚣l 凌燕翻方式；u t a h 大学与m i t 骈稍的4 攒1 6 关节u t a h m i t 撅太多 指手，它的每个关节具有对气压驱动器通过高强度的传动索带动，指关节处具有慕于霍尔效应的 位置传感器，通过徽分关节能置信号两实现速魔反馈；以及b e l g r a d e u s c 多指手等譬。对多糖手熬 研究主要有戳v j l 个方面： ( 1 ) 多指手抓取的稳定性多指乎抓取物体时，必须要保证抓取后的稳定性，因此必须根据物 体瓣足谚姆性鞋及 萋务耱要求合理豹选择接皴纛。要健褥摄取曩努蔻定瞧，必矮要游是力封耀条佟； b a l c e r 和m a r k e n s e o f f 讨论了褥种形状物体在无摩擦点接触时的抓取稳定性的可能性。m i s h r a 给出了 抓取任意形状物体时所需接触点的上限：n g u y e n 针对多边形和多隧物体驰抓取，提嫩了种实现力 4 第一章绪论 图1 - 2 d l r 手指设计图 封闭抓取的方法；s a l i s b u r y 对多指手力封闭抓取的稳 定性进行了研究，指出当且仅当抓取矩阵是行满秩 时抓取是稳定的，这是一个定性的指标；l i 根据 螺旋理论和微分几何的思想，对抓取稳定性的问题进 行了系统的研究，提出了三个指标。 ( 2 ) 多指手的抓取规划。多指手的抓取策略是 促进多指灵巧手发展的关键，采取恰当的抓取策略， 可以大火降低抓取难度，提高抓取效率及可靠性。由 于多指手为多肢体，在抓取或操作时具有闭环结构， 和多臂系统相似，具有控制的不唯一性，力的对抗和 合作，负载分配，运动协调等问题。此外，多指手抓 取中还存在接触状态的不确定性，接触力的单方向性 等特点。因此比多臂系统更复杂。考虑到这些情况， 设计制定恰当的抓取策略十分必要，众多研究者已经 在这个领域提出了多种抓取策略：a r i m o t o 等人把叔 臂中的主从控制策略推广到多指手控制中，该方案解 决了多指手中的不确定性、协调、负载分配等问题； y o s h i k a w a 和c o l e 采用力位置混合控制对多指手的 控制进行了分析，但由于这种方法在控制中要多次用 到逆雅可比矩阵，因此增加了系统的复杂性和计算时 间。s a l i s b u r y 利用刚度控制方法来控制多指手；文1 7 l 提出面向任务的抓取规划方法；文提出一个基于分 层推理的机器人抓取规划系统：文【9 1 对基于知识的抓取规划进行了研究，提出了一个可定性实现的 抓取模型：文”中提出了采用神经网络来控制多指手的抓取。 ( 3 ) 多指手的传感器及萁应用。多指手一般都有力，力矩传感器、位饕传感器、触觉传感嚣，有 馥逐有视觉、接近觉和耩觉传惑器、冷燕觉、滋觉等。在多摇手的操作中，可以确传感器静信息对 多指手进行有效的控制。还可根据手指上各传感器信息建立环境的模型，利用多指手上的传感器信 爨可识别物俸形状、毒| 质。a l l e n 剥耀u t a h m i t 多指手采用主动感知来识别被撵俘谚体熬形状： m o k o t o 等人利用主动感知米识别物体，并根据识别的形状实现多指手的自动抓取。多指手多传感器 融合技术也开始研究，j a c o b s e n 等介绍了多指平多传感器融合系统，并分桩了触觉传感器必颁融台 其它类登豹倍感器熬僖怠才能霉靠稳定匏燕墩物体；s 。a s t a n f i e l d 臻究了多獾手翡税觉帮魑觉融合技 术，并用逸些信息埘物体进行分类。另外数据手套( d a t a o l o v e ) 是多指手传感器研究中较活跃的领 域，操作矗寸入手指嚣在具霄力觉和触髓临场感特性的手囊中，控传0 遥远处多搀手的操作，磷通过多 措手上获取的传惑器信息反馈给数据手套，产生力觉和融鬣临场感效果。e x o s 公司研铜的 g r i p m a s t e r ，它使用的传感器利用压感导电墨液测量作用于手指上的压力，并在数据手套的拇指、食 糖窝中指上装存擞絮气赶，蠲气泵囱气缸蠹实口送入空气。当多措手碰到物体黠，逶过控誊l 气缸蠹 的气体使手指受力产生力觉临场感。 空间遗操作机器人为了能够在存在着不确定性的环境下进行灵巧的操作，其芋爪必须具有很强 瀚感鲡髭力，鼙配嚣多手孛簧黪器，嵇j 懿锈觉转惑器、接避甏转惑器、力，力缝碡惑嚣、位置琐恣传感 器、速度，力口速度传感器及触觉脂觉传感器、冷热觉、濑觉等。手爪通过这些传感器来获得环境的信 想，以实现快速、准确、柔顺地触摸、抓取、撩作1 件盛装配 牛簿。 在同一环境下，多个抟媾器感知的有关信怠之间存在着内在的联系。采用多传感器集戒与信息 融合的方法，合理选择、组织、分配和协调系统中的多传感器资源，并对它们输出的信息进行融合处 联，鞋褥翻关于巧壤秘器拣瓣蒙静更垒嚣更宠攘、更可靠熬信息。 5 东南大学硕士学位论文 第二章临场感遥操作机器人系统 2 1 引言 在临场感遥操作系统中，主控端通过通讯网络来控制从机器人实现抓取操作，从机器人通过机 械手臂带动手爪去接近利抓取物体，因此首先要研究三指手的姿态和作用点坐标，然后研究从机械 手臂的运动情况和控制方法，即对从机械手臂进行运动学分析。 本章首先简要概述了l 临场感遥操作系统，然后从机械手运动学入手对从机器人进行了运动学的 分析，推导三指手的位姿表达式、三指手的作用点的齐次坐标和m o t o m a n s 、，3 x 工业机器人的运 动学正解与逆解。 2 _ 2 临场感遥操作机器人系统 2 2 1 临场感遥操作系统的概述 临场感遥操作系统的原理框图如图2 - l 所示，它由五个部分组成，即：操作者、主机器人、通 讯环节、从机器人和环境。本系统中的通讯环节是以太网。 图2 - 1 临场感遥操作系统的原理框图 当土控端的操作者操作主机器人时，该动作信息通过以太网传递给从机器人，从机器人在环境 审镁稳应熬操终。疆怒章毒潍下，整搦感遥搡传系统黠擞作者完全透稳静，不存在酝 可瘁礴，操作者 和从机器人之间是种等效的关系，即远地和本地两者实现了空间和时间上的统。但是以下= 方 积原因制约了临场感的理想效果。第一，整个系统中元器 牛的设莲和组袈误差的存在，以及相对运 劝豹零部 孛闻的摩擦。第二，系统中元器件存在惯性，且元器件存在晌成时闯和簇迟时间。第三， 通讯环节中因为距离遥远和带宽有限存在的通讯时延。 2 2 2 遥操作临场感的分类 遥操作临场感根据是否有视觉反馈的存在分为视觉临场感和非视觉临场感；根据是否存力信息 鹣爱续分为力觉蕊溺感帮菲力囊螨弱感。麸瓿器天帮环境有两耱交互佟泣方式，帮： 接融律韭和 接触作业前者7 0 的信息米白视觉而后者7 0 的信息来自力觉。视馓、力觉备有优点，两者相 豆补充，在遥操作临场感机器人系统中，同时使用视觉和力觉反馈，如粜再配以冷热赏、滑觉反馈 等，通道多传惑器信息融合，剩更麓锦上添诧、相褥益彰。 2 ，2 1 3 瞧场惑遥攥俸系统戆梅或 本临场感遥操作机器入系统的系统构成如国2 2 。由主控端传感器交互系统、汁算机网络、从机 器人控制系统、从机器人图像采集系缆、主机器人端圈像处理系统等组成。本实验平台的主控端传 簿器交互轰统是由h c 0 1 遴溪型异梅式遥搡佟辍器人手控器帮本缝控割诗算税缓艘；旋辘嚣入系统 是由日本寅j i l 公司的m o t o m a n - s v 3 x 型6 自由度工业机器人、远程控制计算机及图像采集器组成。 h c 0 t 通用型辫构式遥撵作机器人手控器鼹由我们良行研制盼一种耨型通用异构式手控器，它是 根据并联连秆税鞠静结构藤理按5 个独立自蠢发设计的，共由三部分组成：第一部分由两缀并联机 构串联而成第一级由一个空间连杼机构组成，第二级是一个平面平行四连杆机构构成机构所要 袋艇平动平台，这个平台其蠢沿坐撂系三令坐糠辘平l 移裁黪特瞧，月以确定手按嚣寒璞懿证量。 第二部分为安装于避个平动平台上的两个转动自由度，它们的轴砸交，用以模拟手控器末端的姿态， 第三部分为手控器最末端的手爪，它由两个转动关节缎成，用以控制从机器人的手抓，完成抓取、 s 笙三兰塑堑堕望堡堡塑矍查墨堕 移动、放置等任务。主手控制计算机是一台p i l l 工控机，主要完成主机械手的位置信息的采集和处 例2 - 2 临场感遥操作机器人系统 理，主机械手的力反馈实现，从机器人虚拟瑗实环境的建摸和援示以及与从机器人子系统的网络通 讯。图2 - 3 是主机械手子系统实物图。 图2 - 3 主机械手子系统( 手控器) 致税器入采鲻曩奉安川公司静m o t o m a n - s v 3 x 挺6 自由度二业枫器入，速地控毒l 计算机通过 与机器人控制柜之间的r s - 2 3 2 串行通讯来间接地控制从机器人的运动，并获知机器人当前的位置、 热度黎状态等镶怒。扶瓿嚣人的手麟饕端分别装有4 维腕力转艨器移三攒六关节掇器人手熊。 4 维腕力传感器通过高速数据采集卡p c i 一1 8 0 2 l 与远地控制计算机相连，能检测f x ，f y ，f z 和 m z 4 维力，用于实现从机器人与环境之间的交互力的测量。该传感器的弹性体由十字弹性粱和四根 9 东南大学硕十学位论文 浮动梁组成，整个结构作为一个整体是一次加工成型的，实现了弹性体的非组装结构，从而使机器 人四维腕力传感器的结构实现小型化的同时又保证了刚度。 机器人手爪具有力觉、冷热觉、接近觉和角度位置觉，并集成了驱动电路和保护电路。通过2 3 2 串口与远程控制计算机连接。从机器人系统中的两个定彳奇= 摄像头用于摄录和反馈从机器人抓取目标 的何置和姿态。远地控制计算机也是一台p i l l 上控机它除了实现与机器人控制柜的串行通讯、4 维腕力的检测、手爪的信息检测与控制、图像采集与处理外，还担负着与主机械手子系统的网络通 讯任务。 远程视频监控子系统包括远地的监控摄像头和图像采集计算机与本地的视频监控计算机。远地 的图像采集计算机将监控摄像头拍摄到的从机器人运动的真实图像经过压缩处理后，通过网络传输 给本地的视频监控计算机，由视频监控计算机经过解压缩复现图像，为本地的操作者提供远地机器 人连续的运动画面。 整个系统的网络连接使用学校的校园网，通讯协议采用t c p ，i p 协议，应用程序间通讯接口采用 准确可靠的套接字( s o c k e t ) 。 2 3 从机器人的运动学分析 在主从式的遥操作机器人系统中，根据主机器人和从机器入的结构是甭相同分为同构式和异构 式明种。所谓的同丰式操作系统，就是主机器人和从机器人具有相同的结构和自由度，驱动上可以 麓取关繁对关节的驻动方式；餐为了便于主臻操作者静操作和对环境豹肖散榫邋，主驭辊槭手鹄辊 械结构往往是不同的即异构式的，例如本遥操作系统中主端是我们实验室自行研制的具有5 自由度 的h c 0 1 避耀型舅镌式手控爨，从端避6 自由发m o t o m a n s v 3 x 型工渡枧器人，其主、从樵器太 就是异构的。异构式遥操体系统由于结构和自由度的差异，无法采取关节对关节的驱动方式，但是 可以采用位置跟踪的方式，即从机器人的末端执行机构的位置和姿态保持和主机器人一致，而对应 麓关节凝态可滥不强。 给定的机器人的各个关节变量，求解机器人末端位姿的问题，称为机器人的正向运动学：而已 知机器人末端在基嫩标系中健姿信息，要求解相对应的备个关节的角度的问题，称为逆向适动学。 在本系统中耍实现主端手控器蘸手攒( 两指) 德置、姿态对应释瓿端三措手的位登和姿态一致。首 先根据主机器人的备个关节角度计算得到其指尖的位置和姿态，然后将位置姿态通过传输网络传输 刘从机器入，驮规器太透过逆蠢运动学求解出器个关节躲蹙度，菸遥过掇臻系统控铡鼓枧爨大三据 乎达到对应的位置和姿态。 2 , 3 。l 三攒亭豹毯姿罐述鞠终焉蠡戆坐标攘篝 本文的位姿描述是在齐次基坐标系中对从机器人末端执行器的端点位置和姿态进行描述的。为 了分析和控制的方便，认为三指手抓取物体时三个手搬购对应关节旋转的角度相等，即 岛2 鼠，。吃- 2 岛，鲍2 岛：一皱z 2 岛2 ( 2 1 ) 三指等摄取物体时如蓬2 4 所零( 注：炎了分辑方便，鞋f 示意图不楚下撬瓣 ，“b 、e 分别 是拇指、食指、中指的指尖，圈中a d 垂直于b c 交b c 于d 。三指手在抓敬物体时，三个手指的指尖 在一个圆o 上，手掌上三个手指的指跟在一个嘲。上。因为三个手指的前关节长度相等都为t ，后 笑甍长度 照帮耱等为2 ，显蘸后指妖囊稳等，靼l = 2 = 5 0 m m ，三捂掰在圆豹鲞径为8 0 r a m ，义蔽 据公式2 1 ，则有潮o 和圆。平行，闼o 的原点o 和圆。的原点。连线o o 垂直于手掌平砸。操作 点o 距离警掌中心。的距离 2 9 ts i n o i + l2s i n ( 馥一o z ) = 1 ( s i n 0 1 + s i n ( 识一0 2 ) ) = 5 0 ( s i n o + s i n ( 馥一0 2 ) ) 设三个手指指尖所围成褥圆直径为d ，则谢 第= 章临场感遥操作机器人系统 d = 8 0 - ( e l c o s 9 1 + l2c o s ( 岛一0 2 ) ) = 8 0 - - 5 0 ( c o s o l + c o s ( b 一皖) ) ( 2 2 ) 图2 4 三指手抓最物体时的关节角度 1 ) 用单位矢量表示遮动姿态 麸襁嚣天静姿态霹臻嚣搂于束媾瓠 亍器鹣坐标系( 瞧称工爨坐蠡系) 籀对于鍪坐标系懿方经来 描述，如图2 - 5 所示。此坐标系o l - x l y l z l 的原点在三指手的指跟内切圆的中心线上。描述手爪方向 的三个单位矢量的措向如下： z 1 向矢量处于哭持器接近物体的方向上，称为接近矢量a ；y l 囱矢量 圈2 - 5 纂亟矢鬃表示三攒葶熬运魏姿态 扶食攒、孛指瓣孛点意拇撑指尖，薤子燕定夹持嚣方自主，稼为方赫矢羹0 ；x l 窝矢量n 与矢 n 东南大学硕上学位论文 量a 和矢量0 一起构成一个右手矢量集合，