具有力觉临场感的遥操作操纵器关键技术研究.doc

具有力觉临场感的遥操作操纵器关键技术研究 第卷第期?月工程设计学报具有?觉临场感的遥操作操纵器关键技术研究邓乐，赵丁选，唐新星（吉?大学机械科学与工程学院，吉?长春；河南?工大学机械工程系，河南焦作）摘要具有?觉临场感的遥操作操纵器是主、从遥操作系统重要的人机接口，它可以向远端从机械手传送位置、姿态、速度和?等多种信息，同时可以接收从机械手的?矩等信息，为操作者提供?觉临场感其性能直接影响遥操作系统的透明性、稳定性，提供有效的?觉反馈是其研究、设计的关键对?觉临场感操纵器设计中位置控制精度、操纵器的动态特性、操纵器的各向同性、稳定性、人体工程学指标等方面的性能要求进?了分析，对其结构形式、各向同性与结构非奇异性等结构设计方面的问题进?了研究，对各种驱动方式的特点进?了比较，并对检测与控制系统结构对于系统性能的影响进?了研究研究表明，在结构设计时，采用机械上解耦、运?过程中惯性保持?变的机械结构，将使控制算法简化研究结果对于该类装置的研究与开发具有借鉴作用关键词主从机器人；?觉临场感；?反馈控制器；关键技术（）一一“，（，；，）卜；，订，卜，；一基金项目国家自然科学基金资助项目（）；教育部优秀青?教师资助项目（?）作者简介邓乐（一），男，江西萍乡人，副教授，博士生，从事?觉临场感机器人、流体传动与控制等研究，万方数据工程设计学报第卷由于现有的机器人技术水平受到机构、控制、传感技术以及人工智能水平等方面的制约，目前，在一些危险，人?能接近或环境复杂、的场合，要求机器人完全自主地完成各种作业任务是?现实的，这时，往往需要操作人员必要的监控并采用遥操作机器人系统近?来，在遥操作机器人领域，对?觉临场感相关技术的研究和应用受到广泛关注，国内外学者对各类操纵器进?了大?研究，取得了很多成果，出现了一些商用的?反馈手套、?反馈操纵杆、?反馈笔、基于?反馈的鼠标等具有?觉反馈的操纵器（或称为主手）是遥操作系统的关键设备，是操作者感知环境并对远端从机器人进?控制的重要媒介，起到人机接口的作用如何提供有效的?觉反馈和位置控制是操纵器研究的关键现有的?反馈操纵器结构大体可以分为?联结构形式和并联结构形式，此外，根据主、从机器人的结构是否相似可分为同构式和异构式一般主要由操纵器本体、驱动系统、信息检测与控制系统等几部分组成本文将从操纵装置的性能要求、结构设计、驱动方式、检测与控制系统结构等方面阐述?觉临场感操纵器设计中的关键技术问题，对于操纵器的研究和开发具有一定的借鉴作用操纵器的性能要求由于遥操作机器人系统的应用场合广泛，对于操纵器的性能指标要求无法采用统一的标准叩，一般应根据具体的使用场合决定?过，从功能上讲，操纵器的作用主要包括两个方面，一方面，可以将操作者手部的位置和姿态信息实时、准确地传送给远端的从机器人操作机，另一方面，将远地从机器人操作机与环境的相互作用?矩信息反馈给操作者手部?想的?觉临场感能使操作者感知的?等于从手与环境问的作用?，同时从手的位置等于主手的位置，此时的?反馈控制系统称为完全透明的因而，总体上，应该具有结构简单、紧凑，操作灵活轻?，摩擦和惯性小，合适的操作空间和出?，符合操作者的动?学特性，通用性强等特点主要包括以下几个方面（）位置控制精度通常，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?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（）?感知的范围操纵器反馈至人手的作用?应处于适当的范围，?的下限与其机械结构、摩擦?、惯性?有关研究表明，人手能够感知的最小阈值?大约是口，因此操纵器的?觉阈值小于人手的最小阈值将是设计的目标之一而操纵器?感知的上限应使操作者?产生疲劳感为目标，近几?，国外有些取（）操纵器的动态特性应使操纵器的动态响应与人手能够感知的信号频率范围匹配，这由操纵器上驱动元件的动态响应决定（）操纵器的各向同性操纵器的各向同性主要是指在任何位置和姿态下动?学参数的一致性，如摩擦?、重?和惯性张?在?同位姿下的致性，特别是惯性张?的一致性，它是操纵器位姿的函数；其数值的较大变化会引起同样大小的反馈?，在?同位置给人造成?同的?感觉因此，应设法使操纵器驱动元件的?矩控制信息中?包含与位姿有关的信息（）稳定性操作者与远端机器人之间的通信时延是影响遥操作系统的突出问题，时延降低了系统的稳定性；基于无源二端口网络和散射?论、自适应预测控制?论、滑模控制?论、鲁棒控制?论等的方法，有望消除或减缓时延的影响对于远端机器人与环境碰撞冲击造成的稳定性问题，可设计一个自适应?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（）人体工程学指标应按照人体工程学进?操纵器的结构设计，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?同的主、从位移比和?比，实现对人体肌?和运动的放大、缩小，使操作者对于软硬?同的操作对象和操作空间变化较大的从机械手，既能保证?感觉的逼真又?致于产生疲劳感，还能实现较大操作空间的遥操作结构设计操纵器直接与操作者的手部交互，其机械结构形式、结构尺寸、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结构形式?联机构各环节的累计误差较大，运动学正解容?，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?联机构万方数据第期邓乐，等具有?觉临场感的遥操作操纵器关键技术研究相比，其构件数目多，构件间存在严重的耦合关系，从而使得动?学方程相当复杂并联机构运动学逆解容?，但正解复杂，可以对平动与转动实?解耦，有利于提高控制精度，而且机构刚度大、承载能?大、无积累误差，因而，基于并联机构（如平台）的操纵器的设计研究越来越受到重视但?足之处是工作空间范围小，姿态变化幅度有限研究表明，对于并联机构，操作空间的大小与上、下平台的半径比和结构扭角有关，两者增加有利于操作空间的增大同构式是指主、从机械手的结构形式及自由度相同，从手按比例跟随主手运动，结构简单，运动及控制较容?实现目前，国内外以同构式为主但占用空间较大，只能适用单一的从机械手，缺乏通用性异构式的主、从机械手结构及运动关系?明确，两者的运动和动?对应关系需在计算机中经过运动学和动?学正逆解计算，将关节空间映射到操作空间，通过合?地选择主、从手之间的?比，将其分配到操纵器各个关节上，由各关节驱动元件产生操作者感知的?信息通常，控制算法比较复杂，但运动形式灵活多样，通用性强，?适合现代机器人智能化的需要?想的操纵器应能实现机械结构上解耦，从而简化运动学和动?学解耦运算问题，实现实时控制各向同性与结构非奇异性操纵器在?同的位形时应具有?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?线性传输的各向同性能?，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?实现高精度的运动控制，各向同性越好当条件数等于时，机构处于最佳的运动传递性能，称机构的这一形位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?小，另一方面应使其正常工作范围?入条件数较小的范围内，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，?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，因此在设计和应用时应避开奇异位形其他操作者感知的环境的?矩信息受主操纵器本身动?学特性的干扰，尤其当操纵器各关节的惯?和摩擦较大时，?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?觉反馈，操纵器机构应具有足够的机械刚度，采用低惯性和低摩擦的关节结构，设法消除传动部件的摩擦、回程间隙等非线性因素，避免构件挠曲和弹性变形引起的位置误差，尽?减少中间环节，提高动态响应频率例如，采用液压驱动方式时，为了减小操纵器的阻抗，液压缸应选用低摩擦的有圆锥静压轴承的静压伺服油缸，在满足工作要求的前提下，尽?使其结构紧凑、重?轻，为操作者提供高保真的?觉临场感?觉临场感系统的一个特点是通过从机器人与环境交互的?反馈而使操作者感知环境的动?学特性，因此，碰撞是?可避免的碰撞过程中，控制系统中的参数会发生变化而产生颤噪干扰，容?造成系统工作?稳定因此，为了有效地抑制碰撞对系统造成的干扰，应在结构设计时采取一定的措施，减少反馈?对主手的反冲?基于人的遥操作系统必须建立在以人为本的基础上，应从人机工程学的观点出发，处?好?觉临场感与操作舒适性、宜人性、灵巧性、安全性、稳定性、工作空间等性能之间的关系驱动方式通常，操纵器（主手）的运动由操作者手动驱动，各关节驱动机构将?觉临场感提供给操作者，是为操作者提供?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，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电动、液压、气动，近?来，出现的新型功能材?在某些场合具有独特的优点驱动方式的选择应考虑具体的使用场合、使用要求等因素，以满足操作者手部的?觉感知对于驱动机构的基本要求是具有足够的带宽和动态范围、较大的功率密度（功率重?或功率体积），另外，由于与操作者的手部直接接触，安全性要求必?可少比如，直流?矩电机能够在长期堵转或低速运?时产生足够大的转矩，并且可以直接带负载，具有反应速度快和转速波动小，低速稳定性、机械特性和控制特性线性度好等特点，适合在位置伺服或低速伺服系统中作执?元件气压传动可以实现柔性、安全、紧凑、重?轻，而且清洁，?污染环境，适合作?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液压传动功率密度大、响应快，可以实现精确的万方数据工程设计学报第卷位置、?控制等，但需要一套专门的泵站由各种新型功能材?构成的新型驱动机构，如形状记忆合金机构、压电晶体驱动机构、电致和磁致伸缩驱动机构、气动肌肉等将在某些特定条件具有应用前景检测与控制系统结构通常，?、位移传感器是?觉临场感系统中必?可少的信息检测工具，传感器直接影响?觉临场感的性能，精度高（分辨率、灵敏度和线性度等）、可靠性高和抗干扰能?强的传感器是实现?反馈操纵器功能的基础传感器检测目的是充分利用主、从机械手两侧的?和位置（运动）信息，抑制惯性?、摩擦?等因素对?反馈的干扰，实现?觉闭环控制，提高透明性；通过位置的闭环控制，实现从手对主手的位置跟随多维?矩传感器在?觉临场感中起重要作用，通常其输出的?是耦合的，这就要求传感器的信号处?系统进?软件解耦，因而检测系统较复杂根据位移?的类型（直线或角位移）和位移控制精度选择位移传感器类型、精度、?程研究表明，?传感器本身的刚性和安装位置对系统稳定性有影响，应尽?采用柔性大的腕?传感器，并且尽?靠近关节驱动器，减小操纵器本体动?学对稳定性的影响对于主、从机械手系统，控制结构选择的主要问题是如何在系统的稳定性和临场感透明性之间实现折中早期的遥操作控制结构主要有位置一位置型、位置一?型、?反馈一位置型以及改进的?反馈一位置型等其作用是在保证系统稳定的前提下，提高系统的操作性能由于在遥操作系统中，时延?可避免，较大的时延通常会使系统?稳定因此，近?来又出现了许多针对主、从机械手双向控制系统时延的各种控制方案?，比如基于无源性、柔顺性、预测或自适应控制、滑模变结构控制等的各种?同控制方案，其主要区别在于采用主、从手两侧的位置和?信息的?同组合，构成?同的控制算法，实现多传感器的信息融合，从而实现从手对主手位置的跟随，并对主手驱动机构的?进?控制，同时保证系统的稳定性研究表明，适当的控制策略可以有效地抑制系统内的动?学干扰?反馈系统的控制结构决定了主手上传感器的种类、数?、结构、安装位置，操纵器结构设计必须以控制结构为依据控制策略?同，操纵器的控制（驱动）信号?同（如?矩信号、位置速度误差信号或几种信号的组合等），对操纵器本体的结构要求有很大差别，如有些要求可逆此外，如果在主手上安装各种?、位移传感器，则可能使传感器冗余配置，造成?必要的浪费因此，操纵器的结构设计必须针对确定的控制结构刚体动?学逆问题是机构动?分析、动态设计和控制器参数整定的?论基础，已知动平台的运动规?，求解铰内?和驱动?相应的建模方法有牛顿一欧拉法、拉格朗日方法、虚功原?、方程等利用雅克比和海赛矩阵建立操作空间和关节空间速度和加速度的映射关系，并根据此关系构造各运动构件的广义速度和广义惯性?、并联机构通常是非线性、强耦合、变参数的非线性多变?时变系统，采用传统的控制系统设计方法很难满足控制要求例如，对于多自由度的操纵器，动态结构复杂，各自由度互相影响，非线性因素干扰，对其进?补偿的控制算法非常复杂，难以实现实时控制因此，在操纵器结构设计时，尽?采用机械上解耦、运?过程中惯性保持?变的机械结构通常，在操纵器的动态方程中，惯性?矩与关节加速度呈线性关系，在?控制算法中较容?实现，而离心惯性?矩和哥氏惯性?矩与关节加速度呈非线性关系，给操纵器的?控制算法带来困难，同时对?觉反馈信息产生干扰，必须在机械结构上采取技术措施加以解决，比如采用动平衡装置，使这两个非线性?在运动过程中互相抵消，从而使操纵器的惯性保持?变因此，研究解决非对称特性、变负载和交联耦合干扰的控制策略是操纵器驱动系统研究中的重要内容，神经网络、自适应控制、预测控制、。 鲁棒控制、智能控制、变结构控制等现代控制?论和方法将为此类问题的解决提供有效途径结论?反馈操纵器是遥操作系统中重要的人机接口，它涉及机械学、?学、电子学、生物学、信息科学、控制?论、人工智能、材?科学、人机工程学等学科，是各学科技术的集成各部分的设计?是孤立的，而是互相联系、互相制约的，甚至是互相矛盾的，设计时应该采用系统的观点，全面、综合地考虑可以相信，随着遥操作技术应用领域的扩大，研究和开发高精度，高刚度，结构紧凑，汇集机构、检测和控制、驱动多种功能于一体的?觉临场感操纵器，将具有重要的?论意义和广阔的应用前景参考文献，（）（下转第页）万方数据第期曾亚森，等一步造粒中药干燥塔关键部件结构与参数的研究?，（）王喜忠，于才渊，周才君喷雾干燥?京化学工业出版社。 ，一刘广文喷雾干燥实用技术大全?京中国轻工业出版社，于才渊，李富贵，王喜忠搅拌流化床喷雾造粒过程实验研究化学工程，（），?，（）李昭华中药喷雾干燥生产经验介绍中成药，（），（）杨勇，胡远喷雾干燥技术在我院中药制剂生产中的应用时珍国医国药，（）一，（）齐涛，于才渊，王喜忠，等底部进?流化床喷雾造粒器内?素造粒过程化工冶金，（），“口，（）耿熠，陶建生喷雾干燥技术及其在中药制药中的应用中成药，（），（）袁文四流体喷嘴的喷雾干燥装置医药工程设计，（），（），（）（上接第页）刘宏，智能机器人灵巧手的研究西安交通大学学报，（），（）王树国，任倩，蔡鹤皋利用虚拟现实和?反馈的遥现技术综述口中国机械工程，（），（），岳宏基于虚拟现实触觉感知接口技术的研究与进展机器人，（）“，（）宋爱国，黄惟一临场感测试技术及?觉临场感的实现仪器仪表学报，（），卜，】，（）宁稀手控器的性能和评价方法机器人，（）口，（），（）黄田，汪劲松，并联机器人位置空间解析中国科学（辑），（），（），（）黄秀清，杨叔子，顾崇衔机器人?控制的稳定性研究口华中?工大学学报，（），（），。 ，万方数据具有力觉临场感的遥操作操纵器关键技术研究作者邓乐，赵丁选，唐新星，Deng Le，ZHAO Ding-xuan，TANG Xin-xing邓乐,Deng Le(吉林大学,机械科学与工程学院,吉林,长春,130025;河南理工大学,机械工程系,河南,焦作,454000)，赵丁选,唐新星,ZHAO Ding-xuan,TANG Xin-xing(吉林大学,机械科学与工程学院,吉林,长春,130025)刊名工程设计学报英文刊名JOURNAL OFENGINEERING DESIGN年，卷(期)xx,12 (3)被引用次数4次参考文献(10条)1.PAOLO Arcara;CLAUDIO MelchiorriControl schemesfor te