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分畿j = _ 1 ：! 塑2 ：2 【i d ( 、一 蟹靳5 ：! 一 晰抽： 缩0 ： 0 ，一1 ) m 曼p 2 m 6m 学位论文 解耦结构三平移力反馈控制器研究 晁艳霞 7 i 十靴岬虬靶： 高峰教授河北工业- k 毕 i 学忖级别：硕士 牛j i 0q h 托标机械电于_ 桂 1 亡虹址证h 岫? ! ! 业皇。】上一浩女特晰i j ：! ! 盟皇一 址 。严什控丁甲伸： 型旦兰些盘譬 斡甜卷- ! 盘】j q 0 | ，侧 河北工业大学硕士学位论文 解耦结构三平移力反馈控制器研究 摘要 近年来，随着虚拟现实技术及遥操作技术的发展，对力反馈控制器的研究逐渐得到了 国内外许多大学和科研机构的关注。力反馈控制器作为虚拟现实和遥操作系统中的力控制 力反馈设备，它的形式多种多样，有游戏杆、方向盘、数据手套、外骨架、手操纵器等等； 从结构上来分有串联结构、并联结构和串并联结构；从安装方式来分有便携式的和台式的， 便携式的或戴在手上、或穿在肩膀和胳膊上：台式的安放到桌子或地上、还有的安装到屋 子的顶部。 本文提出了一种并联结构的台式力反馈控制器，它既有并联机器人的优点，又避免了 戴在胳膊上或手上给操作者带来的不便。本文所研究的力反馈控制器三个分支正交分布， 其末端执行器只具有x y - z 三个方向的平移运动，且具有运动解耦的特点，每个分支只控 制个方向的运动，对其它分支的运动没有影响。文中对此控制器的构型、运动学分析、 静力学、空间模型以及各项性能等进行了研究，具体内容为： 1 ， 建立了机构的运动学方程，求得了其位置正、反解；速度正、反解以及加速度 ，正、反解的表达式 得到了该控制器的运动雅克比矩阵 2 建立了该控制器的静力学模型，得到了力传递雅克比矩阵g 的解析表达式，为 以后控制软硬件的设计奠定了基础。 3 建立了该控制器的空间模型，为以后的优化设计奠定了基础。 4 对该控制器的运动传递各向同性、力传递各向同性、运动传递指标、承载能力、 柔度等进行了分析并得出了图谱，同时对该控制器的特殊位形以及工作空间等 进行了论述。 关键词：并联机器人，解耦，力反馈，运动学，静力学，空间模型，性能分析 解耦结构三平移力反馈控制器研究 t h es t u d yo ft h ed e c o u p l e df o r c ef e e d b a c k m a n i p u l a t o rm t h3 一d o ft r a n s l a t l 0 n a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s w i t ht h ed e v e l o p m e n to fv i r t u a lr e a l i t ya n dr e m o t em a n i p u l a t i o n ，t h e r e s e a r c ho nt h ef c i r c ef e e d b a c kc o n t r o l l e rh a sb e e nc o n c e m e db ym a n yu n i v e r s i t i e sa n da c a d e m e s t h ef o r c ef e e d b a c km a n i p u l a t o ra saf o r c ec o n t r o l d i s p l a yd e v i c eh a sa l lk i n d so ft y p e s ，s u c ha s j o y s t i c k ，s t e e r i n gw h e e l ，d a t ag l o v e s ，e x o s k e l e t o no rh a n dm a n i p u l a t o ra n ds oo n a c c o r d i n gt o t h es t r u c t u r e ，i th a sc h a i ns t r u c t u r e ，p a r a l l e ls t r u c t u r ea n dc h a i n p a r a l l e ls t r u c t u r e a c c o r d i n gt o t h es e t t i n gm o d e i tc a nb ed i v i d e di n t op o r t a b l em a n i p u l a t o ra n dt a b l e b a s e dm a n i p u l a t o r ，w h i c h c a l lb ew o r no nt h eu s e r sa r mo rh a n d ，o rb es e to nat a b l eo rt h eg r o u n d ，e v e nb es e to nt h et o p o f t h er o o m t 1 i sp a p e ri n t r o d u c e sa3 - d o ft r a n s l a t i o n a lp a r a l l e lm a n i p u l a t o r , w h i c hw i l lb ef i x e do na t a b l e t h i sm a n i p u l a t o rn o to n l yh a st h em e r i to fap a r a l l e lr o b o t ，b u ta l s oa v o i d st h e i n c o n v e n i e n c ew h a ti sc a u s e db yt h em a n i p u l a t o rw h i c hi sw o r no nt h eu s e r sb o d y t h e m a n i p u l a t o rb e h a v e sa l o n gx y - za x e sd u e t ot h eo r t h o g o n a la r r a n g e m e n to f t h et h r e el i m b s ，a n d i ti sd e c o u p l e do nk i n e m a t i c s t h a ti st os a y , e a c hl i m bo n l yc o n t r o l so n ed i r e c t i o n a lm o v e m e n t a n dh a sn oe f f e c to nt h eo t h e rd i r e c t i o n a ld i s p l a c e m e n t i nt h i sp a p e r ，也em a n i p u l a t o ri ss t u d i e d i n m a n yf i e l d s ，s u c ha st h es t r u c t u r e ，k i n e m a t i c s ，s t a t i c s ，p h y s i c a lm o d e lo ft h es o l u t i o ns p a c e ， p e r f o r l d _ a n c ea n ds oo n t h ed e t a i l e dd e s c r i p t i o n sa r ea sf o l l o w s ： 1 t h ek i n e m a t i c se q u a t i o no ft h i sm e c h a n i s mh a sb e e nb u i l t ，a n dw e v eg o tt h e f o r w a r ds o l u t i o n ，t h ei n v e r s es o l u t i o na n dt h ei a c o b i a nm a t r i x ， 2 t h es t a t i c se q u a t i o na n dt h ef o r o e m o m e n tt r a n s m i s s i o nm a t r i xga r eo b t a i n e d ， w h i c hi st h eb a s eo ft h ed e s i g no f t h es o f t w a r eb e f o r el o n g 3 n l ep h y s i c a lm o d e lo ft h es o l u t i o ns i c i a c ei se s t a b l i s h e da n dt h a tg r o u n d st h e f o u n d a t i o nf o rt h eo p t i m u md e s i g n 4 t h ek i n e m a t i c st r a n s m i s s i o ni s o t r o p i ci n d i c e s t h em e c h a n i c st r a n s m i s s i o ni s o t r o p i c i n d i c e s ，t h ek i n e m a t i c st r a n s m i s s i o ni n d i c e s ，l o a d b e a r i n gc a p a b i l i t yi n d i c e se t c h a s b e e np u tf o r w a r d a n dt h ei n d e xa t l a s e sa r ep r e s e n t e d a tt h es a m et i m e ，w e v e d i s c u s s e dt h ep e c u l i a rs i t u a t i o na n dt h ew o r k s p a c eo f t h em a n i p u l a t o r k e yw o r d s ：p a r a l l e lm a n i p u l a t o r , d e c o u p l e d ，f o r c ef e e d b a c k ，k i n e m a t i c s ，s t a t i c s ，p h y s i c a l m o d e lo ft h es o l u t i o ns p a c e ，p e r f o r m a n c ea n a l y s i s 河北工业大学硕士学位论文 1 - 1 1 力反馈及相关概念介绍 第一章绪论 卜1 力反馈控制器介绍 当今的信息社会计算机广泛应用于各种领域，借助于仿真和虚拟现实v r 作为载体，实现用户和 计算机的交互作用是一场深刻的技术变革 2 6 - - 2 ”。虚拟现实技术将沉浸感、交互作用与想象力集成于一 体。沉浸感可以使用户沉浸在一个虚拟环境中，产生一种身临其境的临场惑。交互作用是用户鸯接参与 系统运行过程中的操作。想象力则给与用户更加丰富的感受，启发思维，从理论和实践方面促进对系统 的认识。 虚拟现实是种可以创建和体验虚拟世界的计算机系统。而虚拟世界是虚拟环境或给定仿真对象 的全体t 。虚拟环境是由计算机生成的，通过视、昕、触觉、力等作用于用户，使之产生身临其境感觉的 交互式视景仿真。用计算机技术来生成一个逼真的三维视觉、听觉、触觉等感觉世界，让用户可以从自 己的视点出发。利用自然的技能和某些设备对这一生成的虚拟世界客体进行浏览和交互考察”“。 遥现是高级的遥操作系统，它能通过视、听、触觉和力给操作者提供感觉反馈。遥现系统集成了 高级操作者界面、虚拟现实装置、力反馈手控制器和基于传感器的操作器的使用，以提供远地工作现场 一 的感觉。 力反馈是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，能让我们 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。以飞行模拟摇杆 为例，摇杆的x 轴和y 轴分别通过齿轮或者钢线连接到电动机，而电机则报据专用力反馈芯片发送的信 号来工作口“。根据游戏中的实际情况，力反馈芯片可以模拟出真实的操纵感，比如，在控制飞机爬拜 时，力反馈芯片会根据游戏中提供的数据模拟出飞机爬升时的反作用力在摇杆上反映出来就是拉动摇 杆时需要更大力度。 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，恳肘能把在虚拟现场或 远程操作现场感受到的力力矩反馈绘操作者。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1 1 7 i 。力反馈控制器的种 类很多，从外观上分，有操纵杆、方向盘、数据手套、鼠标等等形式；从结构上则可分为串联结构、并 联结构、和串并联结构：按安装方式可分为固定式和便携式两种。固定式力反馈控制器通常l 奠地面、天 花板、座椅的扶手和墙壁作为支撑，承受整个装置的熏量，其优点是传动结构的重力与用户脱离雨实现 卸荷，其缺点是减少了用户的活动空阔和仿真的逼真度。便携式力反馈控制器是安装在用户身体( 厉背、 手臂、胸前、手掌) 上，以便能够给出更逼真的交互作用和尽可能大的工作空间，其缺点是用户必须直 接承受貉个力反馈控制器一外骨骼结构的熏量，从而容易引起用户的疲劳，甚至产生错觉，因此需要限 i 解描结构三平移力反馈控制器研究 制外骨骼结构的体积和重量。 1 - 1 2 研究带有力反馈的手控制器的重要意义 在基于遥现技术和虚拟现实操作系统中，力觉( 力反馈) 和接触觉的触觉感知是不可或缺的重要 感觉b “。当前，虚拟环境中大多数数据信息是采用视觉传感器以及非接触性传感器采集的。然瓶，实 际工作中很多操作任务的信息要求具备敏捷的控制和接触感觉，例如遥操作系统的操作者需要具有交互 作用的远处场景的感觉，即要求对物体轮廓表面及抓握力进行探测和感知；基于虚拟现实的外科手术训 练中，手术刀端部对虚拟生理组织剖切力的测量。可以给受训人员提供触觉感知反馈等等。在虚拟环境 中，由于缺乏触觉感知反馈手段而使许许多多的信息源很难反馈和显示给异地的用户，从而难以实现 更加全面的人一机交互作用。照而易见，没有基于虚拟现实的接触觉、力觉感知反馈作用，就很难满足 各种： 程实际应用的要求。 力反馈控制器的研究对虚拟制造中零件的装配、虚拟雕刻、机器人遥操作、人与计算机虚拟运动 和力信息交互感知等研究和发展有极其重要的意义和影响。带有力，力矩反馈的能实现多维移动和转动 的控制器是虚拟现实技术中的力控制，力显示设备，在虚拟现实技术中，操作者通过操纵力反馈控制器， 可以在计算机的虚拟环境中获得操作真实物体的感觉和身临其境的感觉，操作者能获取现场的总体印 象，这将极大地提高操作者的现场感知能力，更有效、更准确地完成各种复杂任务。 1 1 - 3 带有力反馈的手控涮器的应用 力反馈控制器可应用于设计制造，医疗和保健，危险操作，训练，教育，信息可视化，娱乐等虚拟 现实和遥操作系统中。下面举例说明其具体应用。 1 、娱乐 用于娱乐的游戏杆和方向盘相对来说比较简单，图1 i 、图t 2 分别是罗技闪灵钛翼游戏杆和罗披 力反馈方向盘m o m of o r c e 。 图i i 罗技闪灵钛翼游戏杆 f i g 1 1t h em o m o j o y s t i c k 图1 2 罗技力反馈方向盘 f i g 1 21 1 wm o m o f o r c ef e e d b a c ks t e e r i n gw h e e l 2 、设计制造、装配 奖国s e n s a b l et e c h n o l o g y 公司生产的p h a n t o m 结合相关软件f r e e f o r m 可用于新产品的设讨 2 解耦结梅三平移力反馈控制秸研究 制外骨骼结构的体积和重量。 1 - 1 ，2 研究带有力反馈的手控制器的重要意义 在基于遥现技术和虚拟现实操作系统中力觉( 力反馈) 和接触觉的触觉感知是不可或缺的重要 感觉p ”。当前，虚拟环境中太多数数据信息是采用视觉传感器以及非接触性传感器采集的，然两，实 际工作中很多操作任务的信息要求具备敏捷的控制和接触感觉，例如遥操作系统的操作者需要具有交互 作用的远处场景的感觉即要求对物体轮廓表面及抓握力进行探测和感知；基于虚拟现实的外科手术训 练中，手术刀端都对虚拟生理组织剖切力的测量可以给受训人员提供触觉感知反馈等等。在虚拟环境 中，由于缺乏触觉感知反馈手段，而使诈许多多的信息源报难反馈和显示给异地的用户，帆丽难以实现 更加全面的人一机交互作用。显而易见没有基于虚拟现实的接触觉、力觉感知反馈作_ e f j ，就狠难满足 各种：【程实际应用的要求。 力反l 贵控制器的研究对虚拟制造中零件的装配、虚拟雕刻、机器人遥操作、人与计算机虚拟运动 和力信息交互感知等研究和发展有极其重要的意义和影响。带有力，力矩反馈的能实现多维移动和转动 的控制器是虚拟现实技术中的力控制力显示设备，在虚拟现实技术中，操作者通过操纵力反馈控制器， 可毗在计算机的虚拟环境中获得操作真实物体的感觉和身临其境的感觉，操作者能获取现场的总体印 象这将极大地提高操作者的现场感知能力，更有效，更准确地完成各种复杂任务。 1 - 1 3 带有力反馈的手控制器的应用 力反馈控制器可应用于设计制造，医疗和保健，危险操作，训练教育，信息可视化娱乐等虚拟 现实和遥操作系统中1 ”。下面举例说明其具体应用。 1 、娱乐 用于娱乐的游戏杆和方向盘相对来说比较简单，图1 1 、图1 2 分别是罗技闪灵钛冀游戒杆和罗坎 力反馈方向盘m o m of o r c e 。 囤l - l 罗技闪是敏翼游戏杆囤1 2 罗技力反馈方向盘 f i g 1 1 t h e m o m o j o y s t i c kf i g i2 t h e m o m o f o r c e f e e d b a c ks l e e t i n g w h e e l 2 、设计制造、装配 美国s e n s a b l et e c h n o l o g y 公司生产的p h a n t o m 鲒合相关软件f r e e f o r m 可用于新产品的设计 美国s e n s a b l et b c h n o l o g y 公司生产的p h a n t o m 结合相关软件f r 船f o r m 可用于新产品的设讨 2 解描结构三平移力反馈控制器研究 制外骨骼结构的体积和重量。 1 - 1 2 研究带有力反馈的手控制器的重要意义 在基于遥现技术和虚拟现实操作系统中，力觉( 力反馈) 和接触觉的触觉感知是不可或缺的重要 感觉b “。当前，虚拟环境中大多数数据信息是采用视觉传感器以及非接触性传感器采集的。然瓶，实 际工作中很多操作任务的信息要求具备敏捷的控制和接触感觉，例如遥操作系统的操作者需要具有交互 作用的远处场景的感觉，即要求对物体轮廓表面及抓握力进行探测和感知；基于虚拟现实的外科手术训 练中，手术刀端部对虚拟生理组织剖切力的测量。可以给受训人员提供触觉感知反馈等等。在虚拟环境 中，由于缺乏触觉感知反馈手段而使许许多多的信息源很难反馈和显示给异地的用户，从而难以实现 更加全面的人一机交互作用。照而易见，没有基于虚拟现实的接触觉、力觉感知反馈作用，就很难满足 各种： 程实际应用的要求。 力反馈控制器的研究对虚拟制造中零件的装配、虚拟雕刻、机器人遥操作、人与计算机虚拟运动 和力信息交互感知等研究和发展有极其重要的意义和影响。带有力，力矩反馈的能实现多维移动和转动 的控制器是虚拟现实技术中的力控制，力显示设备，在虚拟现实技术中，操作者通过操纵力反馈控制器， 可以在计算机的虚拟环境中获得操作真实物体的感觉和身临其境的感觉，操作者能获取现场的总体印 象，这将极大地提高操作者的现场感知能力，更有效、更准确地完成各种复杂任务。 1 1 - 3 带有力反馈的手控涮器的应用 力反馈控制器可应用于设计制造，医疗和保健，危险操作，训练，教育，信息可视化，娱乐等虚拟 现实和遥操作系统中。下面举例说明其具体应用。 1 、娱乐 用于娱乐的游戏杆和方向盘相对来说比较简单，图1 i 、图t 2 分别是罗技闪灵钛翼游戏杆和罗披 力反馈方向盘m o m of o r c e 。 图i i 罗技闪灵钛翼游戏杆 f i g 1 1t h em o m o j o y s t i c k 图1 2 罗技力反馈方向盘 f i g 1 21 1 wm o m o f o r c ef e e d b a c ks t e e r i n gw h e e l 2 、设计制造、装配 奖国s e n s a b l et e c h n o l o g y 公司生产的p h a n t o m 结合相关软件f r e e f o r m 可用于新产品的设讨 2 捌北工业大学硕士学位论文 ! , , e l i _ 皇皇兰姆墨量置霉嘲置_ 墨皇墨墨圣墨晕_ 曩墨皇唧蕾_ 曼置- e 鼍舞蜘! 胃- 一_ - 自_ ! 鼍- l 曼! ! ! ! l 蕾_ 自矗_ 。墨j ! 麓基! 模拟雕刻，模拟注塑等设计制造- 如图1 3 所示为用p h a n t o m 进行模拟雕刻。j a y a r a m 和他的同事们 在华盛顿州立大学开发了虚拟装配设计环境( v a d e ) ，这个系统允许工程师运用参数化c a d 系统进行 设计，并将数据自动输出到虚拟环境中，在虚拟环境中产生装配场景，设计者进行装配，产生的陂计信 息又自动反馈给参数c a d 设计系统。图1 5 为带有约柬运动和力反馈的虚拟装配仿真。 3 、外科手术模拟器 带有力反馈的控制器可分别用于学生人类解剖学和病理学实习，新医生的手术过程训练，复杂过程 的手术规划，以及预计手术结果，为病人作脑部手术1 3 03 1 l 等。如当前已经投入应用的腹腔镜手术训练 模拟器内窥镜手术训练模拟器等手术训练模拟器以及远程手术系统。图1 4 为内窥镜手术训练器的力 反馈手控制器。图1 6 为腹腔镜手术调练器。 图1 3 用p h a n t o m 进行虚拟设计 f i g 1 3t h ep h a n t o mw h i c hi su s e df o r v i r t u a ld e s i g n r 图1 4 内窥镜手术训练器的力反馈手控制器 f i g 1 4t h ef o r c ef e e d b a c km a n i p u l a t o ro fk a r l s r u h e e n d o s c o p i cs u r g e r yt r a i n e r 图1 5 带有运动约束和力反馈的虚拟装配仿真 f i g 1 5v i r t u a la s s e m b l ys i m u l a t i o nw i t hc o n s t r a i n e dm o t i o na n df o r c ef e e d b a c k 4 、飞行训练 如图1 7 的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。 5 、危险操作 在有辐射或人类不能轻易达到的地方如太空、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制器，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 解耦结构三平穆力反馈控制器研究 ! 日! ! ! ! e _ - _ 自日自e $ _ _ 目_ _ _ 目_ _ _ _ _ _ e _ _ _ _ ! - ! 自s 目_ l _ l 自 _ ! _ - _ i _ j e ! ! ! ! ，! 图1 6 腹腔镜手术训练器 图1 7 基于s t e w a r t 平台的f 一16 飞行模拟器 f i g 1 6 t h ec e l i o s c o p es u r g e r y t r a i n e r f i g 1 7 as t e w a r t p l a t f o r mb a s e d f l i g h ts i m u l a t o r f o r f - 1 6 l _ 2 力反馈设备的国内外现状 力反馈设备应该跟踪用户身体的运动以及用户施加的力。根据这些数据。力反馈设备确定它加给虚 拟物体的力，并根据场景确定它加给用户的力。这种接口的目标是给用户提供立即的、高逼真的、可信 的真实交互。力反馈设备按结构大致可以分为如下几类。 1 - 2 1 串联结构的力反馈手控黼器 串联力反馈控制器的种类很多，比较简单的有力反馈手柄( 游戏杆、摇杆) 、方向盘和鼠标，力反 馈操作臂和力反馈数据手套等。下面分别介绍它们。 1 、力反馈手柄( 游戏杆、摇杆) 力反馈游戏杆的种类比较多，这里仅举几个典型例子。 ( ”微软力反馈摇杆s i d e w i n d e rf o r c ef e e d b a c kp r o ，这种摇杆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黄手柄移动。接收电路则不断地 输出手柄位置移动的信号给电脑。这种手柄还有握力感应器，你不握紧它就无力反馈效果。该手柄内有 两个火电机及一套传动机构，电脑将根据游戏的情节，控截电机正、反转旋转( 电机旋转方向与操作者 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。这款摇杆需要外接能够提供大电流的辅助屯源酬。图1 8 为微软力反馈 摇杆， ( 2 ) m i t ( m a s s a c h u s e a e si n s t i t u t eo f t e c h n o l o g y ) 早期研制的“高性能力反馈手柄”1 1 4 1 ，其结构图 如图1 9 所示。 2 、力反馈方向盘 力反馈方向盘的品种较多，以罗技和微软为代表，并且传动不外乎齿轮传动和线传动。程序中设 计出路面颠簸、碰撞、甚至刹车过头等情景，游戏本身会发出若干信号给方向盘，方向盘通过马达和齿 轮来传回巨大的碰撞或是路面的细微改变口”。如图1 2 所示为罗技力反馈方向盘。 可托工业大学硕士学位论立 3 、力反馈鼠标 力反馈鼠标f e e l i tm o u s e 是给用户提供力反馈信息的鼠标设备。用户象使用普通鼠标一样，移 动光标。它和普通鼠标不同的是，当仿真碰撞时，它会给人施加反馈力。当用户移动光标进入个幽形 障碍物时，这个鼠标就对人手产生反作用力，阻止这种虚拟穿透。因为鼠标阻止光标穿透，用户就感剑 这个障碍物像一个真的硬物体，产生与硬物体接触的幻觉。力觉的产生是通过电子机械机构在鼠标的手 柄上施加的【“】。图1 1 0 表示f e e l i tm o u s e 的外观。 图1 8 微软力反馈摇杆 f i g 1 8m i c r o s o f tf o r c ef e e d b a c k j o y s t i c k 图1 1 0f e e l i t 鼠标 f i g 1 1 0f e e l i t m o o s e 图1 9 高性能力反馈手柄 f i g 1 9h i g hp e r f o r m a n c e f o r c ef e e d b a c k j o y s t i c k 4 、力反馈操作臂 ( 1 ) m e lm a s t e ra r m 是日本m i t l 的研究者研制的用于虚拟现实仿真设计的操纵手臂。该手臂是 放置在台上的，有四个自由度，手柄上安装有具有六个自由度的腕力传感器，传感器测量加于操作者 的反馈力和力矩。该手臂使用直接驱动的电驱动器，这些驱动器安装于手臂关节处，不再用滑轮和钢 缆传动。它用线性位置传感器跟踪柱面关节的运动。由关接处的码盘进行数据采集，计算的反馈力送 到d a 转换器，然后送到直接驱动马达控制器，气动的气缸把反馈力矩加于关节上，要求的力受到压 力传感器控制【1 4 l 。图1 1 1 表示m e l m a s t e r a r m 力反馈手篱。( a ) 系统布局， ( b ) 手臂的结构。 5 解耦结构三平移力反馈控 i i 器研究 图1 1 1n i e l 主手手臂 f i g 1 1 im e l m a s t e r a r m ( 2 ) p h a n t o m ( p e r s o n a l h a p t i c i n t e r f a c e m e c h a n i s m ) 力反馈装置是由美国s e n s a b l e t e c h n o l o g y 公司生 产的，其种类较多，且均为台式装置，其结构简图如图1 1 2 4 1 ： p h a n t o m 力反馈系统9j ，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。p h a n t o m 与g h o s q 软件配合使用，( 后者是c + + 的工具盒，它允许开发者处理简单的高层的对象和物理特性，如位置、质 量、摩擦和硬度。) 图1 1 3 所示为各种型号的p h a n t o m 的外观。 6 图1 12p h a n t o m 结构简图 f i g 1 1 2t h ec o n f i g u m b l es k e t c ho f p h a n t o m 河北工业大学硕士学位论文 _ 蔓墨鼍_ _ 兰雹_ 曲掣螺黑_ 出患- 皇高墨_ 墨蛔墨_ - _ _ - _ _ 曩_ 一目自雹- _ 豳i 黑i 删e a ) p h a n t o mp r e m i u m1 5 b ) p h a n t o m c ) p h a n t o mp r e r n i u m3 0 一 d ) p h a n t o mp r e m i u m1 0 e 1p h a n t o m 图1 1 3 各种型号的p h a n t o m f i g 1 1 3t y p e so f p h a n t o m 5 、安装在人身体上或手上的力反馈设备 图1 1 4 南方卫里工会派大学的力反馈主手 f i g 1 1 4s o u t h e r nm e t h o d i s tu n i v m a s t e r 图1 15 外骨架力反馈主手 f i g 1 1 5f o r c ee x o s k e l c t o na r mm a s t e r 7 解耦结构三平移力反馈控制器研究 ( 1 ) 图1 1 4 、图1 1 5 、图1 1 6 均为安装在人身上的力反馈设备，图1 15 为f o r c ee x o s k e i e t o na r m m a s t e r ( 力反馈主手) ，该手臂总重i o l 【g ，肩关节处的力矩为6 3 n - m ，肘关节处为1 6 n ，m ，前劈处 为o 3 8 n - m i l ”。该力反馈主手对从机械手或模攒物体提供力矩和运动控制，并能给操作者手臂施加5 个自由度力反馈，肩部3 个自由度，肘鄣和前臀各一个自由度。该力反馈主手的尺寸可以进行调整，以 适应不同操作者，并且它分为穿戴在胳膊上的和基于背部的两种，基于背部的还有单臂和双臂之分【”】。 t h e u n i v e r s i t y o f s a i f o r d a r m m a s t e r ( 英国索尔福德大学的力反馈手臂) ，如图1 1 6 所示。它使用压 缩空气驱动肌肉运动，能产生1 5 0 - 1 0 0 0 n 的力。驱动器作用于每个关节的相对位置每个关节的位置 由高线性电位计测量，手臂使甩锈和锅台金制成，重量只有2 公斤f 4 】。 ( 2 ) c y b c r g r a s p 数据手套1 1 1 ，如图1 1 7 。 c y b e r g r a s p 由钢缆带动手背上的骨架结构运动，每个手指可以得到晟大为1 2 n 的阻力，由于骨架 结构依附在手背上，所以整个拳头可以握上。但驱动器不能放在身上，要放在远离手的控制柜里，这样 使得摩擦大。并且缩少了该装置的运动范围。即使这样整个手套的重量仍是比较重( 4 5 0 克) ，当氏 时间使用时极易使操作者疲劳。 图1 1 6 英国索尔福德大学的力反馈手臂 f i g 1 16t h eu n i v e r s i t yo fs a l f o r da r mm a s t e r 图1 1 8v e r t e xc y b e r 力反馈手套 f i g 1 1 8 v e r t e x c y b e r f o r c e g l o v e 图t 17c y b e r o r a s p 数据手套 f i g 1 1 7c y b e r g r a s p 图1 1 9r u t g e r s 力反馈主手 f i g t 1 9r u t g e r sm a s t e r ( 3 ) v e r t e xc y b e r f o r e eg l o v e ，掘图1 1 8 所示 v e r t e x c y b e r f o r e e 数据手套采用一种质轻的高强度纤维( k e v l a r t e n d o n s ) 放置在手背上来传动，所 以非常轻，使用起来比较舒服，使用宜流电机驱动，手的位置由手套内的位置传感器测量，缺点是增大 了摩擦，控制更困难，生产和力反馈稳定性等问题限制了该手套的广泛应用1 4 l 。 8 扣j 北工业大学颂上学位论文 ( 4 ) 带有力反馈的r u t g e r s 主手( r u t g e r sm a s t e r ) ，如图1 1 9 所示。 r u t g e r s 主手是由r u t g e r s 大学研制的，其反馈结构是由安装在手套手掌上的小型i j 型平台 ：的 四个气动的微型气缸组成，使用直接驱动的执行机构，避免了使用钢缆和滑轮。每个气缸和球形关节间 轴安装，球形关节直接连到气管上每个执行机构都有圆锥形的工作空间，从而允许手指的弯曲和外展、 内收。执行机构通过尼龙搭扣带子固定在支撑手套上，使得该手套允许大小不同的手使用。为了便于 方 真，这种r u t g e r s 操纵器安装在数据手套的手掌上，给这个原来开环的手套提供了反馈i l ”。控制回路使 用数据手套的位置数据驱动虚拟手，当虚拟手抓取虚拟的物体时用户在手指上感到力，这些力取决于 物体变形程度及其建模的弹性。 图1 2 0 为r u t g e r sm a s t e ri l l 目，也是由r u t g e r s 大学研制的，由于采用了动力，重量比商的气体驱动 器，这个手套比较轻( 约3 2 0 克) 。驱动器的摩擦小，且放簧在手上，所以运动范围大。这种驱动器不会 过热，所以每个手指承受的最大反馈力可达1 6 n 。但由于r u t g e r s 搡纵器的驱动器放在手掌上，所以手 不能完全握上。 ( 5 ) l r p 手操作器，如图1 2 l 所示 l r p 由l a b o r a t o i r ed er o b o t i q u ed ep a r i s 研制。它比r u t g e r s 手操纵器有更多自由度，执行机构远离 手减轻了操纵器的重量，操纵器由直径0 4 5 r a m 的微型线缆控制，线缆的运动是由安在每个马达轴的 电位计测量的。分辨率为1 度，反馈结构在手背上反馈力加于手指的局部，在手指的1 4 个位置有力 反馈，使用的执行机构是直流“盘式”马达，持续力矩可达1 0 7 n m 。最高达1 i a n m 【1 ”。 图1 2 0r u t g o r s 主手i i f i g 1 2 0r u t g e r sm a s t e ri i 图1 2 1l r p 手操作嚣的结构简图 f i g 1 2 1t h ec o n f i g u r a t i o no fl r pm a s t e r ( 6 ) e x o ss a f i r e 、e x o se x o s k e l e t o n 和e x o sf o r c ea r mm a s t e r i7 1 ，如图1 2 2 1 2 4 s a t i r e ( s e n s i n g a n df o r c e r e f l e c t i n g e x o s k e l e t o n ) 有8 个自由度( 拇指3 个，食指3 个中指2 个) 。弯曲范围是9 0 度外展、内收是3 0 度，拇指回转是4 5 度。执行机构是童流马达，它有自己的 传感器。位置传感器安装在关节上，操纵器重量较重，为5 5 磅。这会使用户容易感到疲劳1 8 j 。该操作 器可以控制从机械手或虚拟物体的转动和移动。力反馈施加在操作者的手指上。 e x o sf o r c ea r mm a s t e r ( e x o s 力反馈主手) 对从机械手或模拟物体提供力矩和运动控制，并能 9 解耦结构三平移力反馈控制器研究 ! _ 自自$ _ 自$ 目_ 自l _ 自日_ 女l 自! ! _ 女! 日ee _ _ ! ! l _ ! ! ! 给操作者手臂施加5 个自由度力反馈，该手臂允许操作者手臂进行各种运动2 5 。 图1 2 2e x o s 感觉和力反馈外骨骼 f 遍1 1 2e x o ss a f i r e 图1 2 4e x o s 外骨骼主手 f i g 1 2 4e x o se x o s k e l e t o n a r m m a s t e r 图1 2 3e x o s 外骨骼 f i g 1 2 3e x o se x o s k e l e t o n 图1 2 5 分子入坞虚拟接口 f i g 1 2 5m o l e c u l a rd o c k i n gv i r t u a li n t e r f a c e 以上介绍的力反馈操纵器分别为安装在台上的和穿戴在身上、胳膊上或手上的操纵器。还有一种大 型力反馈操作臂如图1 2 5 所示是安装在屋顶上的3 2 1 。 1 、钢缆控制的6 一d o f 力反馈控制器，如图1 2 6 所示 它由9 个驱动器来控制9 根钢缆拉伸，它的反馈力最大达4 4 ，4 9 n ，3 个衡压气缸用于提供固定的压 0 河北工业大学硕士学位论文 力，该力反馈机构的工作空间没有奇异点，并且每根铜缆的运动是通过一个电位计测量的，计算量减! 争 了。钢缆和安装在远处的电机相连这样使得它重量轻，惯性小，有较大的工作空间；缺点是为了施加 三维力和力矩，需用较多数目的钢缆，另一方面是系统体积庞大并且有来自气缸的高摩擦力i 川。 $ 耋耋 墨 图1 2 6 九根钢缆控书l 的力反馈控制嚣 图i 27 笛卡尔操纵杆 f i g 1 2 6t h et e x a sn i n e - s t r i n gf o r c ed i s p l a y f i g 1 2 7c a r t e s i a nj o y s t i c k s 2 、c a r t e s i a nj o y s t i c k s ( 迪卡尔操纵杆) ，如图1 2 7 所示 该操纵杆有3 个自由度，平移运动由直流电机通过钢缆、滑轮传递。手柄滑块上装有另一个电机， 实现手柄绕z 轴的转动。四周的滑块上装有角度传感器和l v d t 线性传感器，总的位置准确性和位嚣 重复精度为o 0 3 r n r n i s j 。 3 、3 d o f 球状肩都手控制器 该控制器是德克萨斯大学开发的。除了它只有3 个自由度外，这个系统与九根钢缆控制的力反馈控 制器有几乎相同的特点。球状肩郝可以使沉重的驱动器定位在t gl - ，因此增加了有效负载。然而，每个 驱动器都结合了一个带6 0 ：1 传动比的谐波齿轮驱动系统。所以系统表现出根强的摩擦力、网冲力和惯 性力。 4 、基于s t e w a r t 平台原型的遥操作控制器。如图1 2 8 所示 基于s t e w a r t 平台原型的遥操作机械手系统是主从控制，主手由使用者的手臂带动运动，具有人的 上臂的所有自由度，能在上肢所能达到的范围内运动。从手由汽缸带动运动。主从手结构不完全相同， 但具有相同的运动。主手重量轻，传感器不装在身体上，所以操作者的运动不受约束，且操作者不需要 长时间培训【2 4 j 。 5 、2 - d o f 开槽摇臂操纵杆，如图1 2 9 所示 2 - d o f 开槽摇臂操纵杆闱由两个开槽的摇臂和一个手柄组成手柄的杆卡在槽里，手柄轩可以沿若 槽移动，实现绕x 轴或y 轴的转动。 6 、基于s t e w a r t 平台原型的遥操作器。如图i 3 0 所示 解耦结构三平移力反馈控翩器研究 s t e w a r t 平台操作杆是基于s t e w a r t 平台设计的，是典型的并联结构。因此它具有承载能力大，位置 精度高，动力学特性好。反解容易等优点。缺点是工作空间小，正解困难，运动有奇异点【”。 图1 2 8 基于s t e w a r t 平台原型的遥操作器 f i g 1 2 8s t e w a r tp l a t f o r mb a s e dp r o t o t y p et e l e - m a n i p u l a t i o n 羔 d b 娃 图1 2 92 - d o f 开槽摇臂操纵杆 f i g 1 2 92 - d o fs l o t t e ds w i n g a r mj o y s t i c k 圈1 3