灵巧型触感交互装置的设计【主操作手与五指灵巧手】【说明书+CAD+PROE】
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主操作手与五指灵巧手
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毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告设计(论文)题目： 灵巧型触感交互装置的设计 学生姓名： 学号： 专业： 所在学院： 指导教师： 职称： 2011年3 月2日毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告1结合毕业设计（论文）课题情况，根据所查阅的文献资料，每人撰写不少于1000字的文献综述：随着科学技术的进步，机器人的应用范围在不断拓宽。在太空探索、海洋开发、核工业等领域的实际需求，对机器人技术提出了更高的要求。特别是在危险环境，或是人们难以胜任的场合，更加迫切地需要机器人，从而推动了智能机器人的研究。工业机器人大多由机械臂和末端执行器组成，前者主要提供大范围的运动和定位，后者与环境和对象作用，执行预期的任务。传统的工业机器人的末端执行器存在着诸如灵活性差，感知能力低下，力的控制精度低等一些缺点。为了克服这些缺点，一种外形类似人手，功能多样，既能进行各种常见操作，又能稳定抓持形状各异的物体的特殊的末端执行器被开发了出来，我们称其为灵巧手1。相对简单的末端执行器，机器人灵巧手具有感知能力丰富、通用性强、能够实现满足力封闭和几何封闭的精确、稳固抓取等优点2。对机器人灵巧手进行抓取控制主要有两种方式：自主操作和遥操作。在目前的科学技术水平下，大多选择遥操作，利用在本地的主操作手对远方的灵巧手进行控制。在主操作手的控制下，机器人灵巧手能够完成灵活、精细的抓取操作，成为人类肢体的有效延伸。主操作手逐渐成为机器人领域的热门研究方向之一，并且已经逐渐成为一个专门的研究领域，涵盖了从空间探索到医疗器械等领域中的一些重大课题。由于主操作手涉及机器人学、机构学、材料科学、自动控制、计算机图形学等学科，近年来很多国家都已成立了专门的多指灵巧手实验室或实验中心，以大力发展这一高新技术。目前，国内该技术的研究相对薄弱。我国载人航天事业取得的成功，为太空探索铺平了道路。宇航员在太空中进行探索存在着许多危险和不便：太空舱内外存在着压差，需要穿着厚重的太空服；在太空中处于失重环境，在太空中行走时与太空舱相连的安全索会缠绕起来。这时，多指灵巧手就成为一个有效的工具，宇航员可以方便的在舱内使用主操作手控制灵巧手进行太空探索。主操作手在其他的场合，例如在核能开发的恶劣环境中和微创手术的医疗器械中，都有着广泛的应用。1、灵巧型触感交互装置在危险的环境下，多选择使用灵巧手代替人类工作。由于目前灵巧手技术发展尚未成熟，选择人机合作，利用人工智能，允许操作者在机器人灵巧手的编程计划中以遥操作3的方式参与进去，即本地操作者利用遥操作设备对工作环境中灵巧手系统进行遥控操作，指挥其完成任务，可以大大提高灵巧手任务完成的准确性。虚拟现实技术作为一种可视化工具，在改善遥操作系统中的人机接口方面有着重要作用。将虚拟现实技术、遥操作和机器人灵巧手结合起来，形成一个虚拟现实的机器人灵巧手的遥操作平台，使操作者可以精确的操作远端的目标物，特别是应用虚拟现实技术开发出具有“临场感”的虚拟操作界面，作为人机交互接口系统，有助于提高遥操作机器人灵巧手的抓取效率和可靠性。力临场感技术是触感交互技术的重要组成部分5，人机接口利用该技术将本地操作者的位置和运动信息的控制指令传达给远地的机器人，同时将远地机器人感知到的环境信息，以及机器人和环境间的相互作用信息实时地反馈给本地的操作者，使操作者产生身临其境的感觉。操作者使用灵巧手相当于延伸在远地的肢体，可以真实地感受到和环境的交互状态和相互作用，从而做出正确的决策，可以有效的控制机器人完成复杂的任务。虚拟现实（Virtual Reality-VR）技术作为当今信息时代计算机科学领域的一门新兴学科，从一个全新的角度感知心智，模拟现实，无疑是科学研究方法的一种变革，也必将对人类生活带来深远的影响。与虚拟项目有关的研究，即利用立体试听、数据手套、数据服装等人类感觉的延展技术，来模拟仿真三维现实世界的研究，一开始并没有一个统一的概念，直到 1989 年美国科学家、VPL 的主管 Jaron Lanier4，提出虚拟现实（Virtual Reality）这一概念，才将这些研究统一在单一的虚拟现实这一名词之下。从对虚拟现实的系统的描述来看，它的特征主要强调了以下四个要素：（1）多感知性。多感知是指除了我们熟悉的计算机技术所具有的视觉感知之外，还包括听觉感知、触觉感知、运动感知、力觉感知，甚至包括味觉感知、嗅觉感知等。理想的虚拟现实技术包括了一切人类所具有的感知功能。（2）交互性。交互性是和实时性联系在一起的，是指用户在模拟环境内对物体的可操控程度和从环境得到反馈的自然程度。（3）存在感。又称临场感，指用户作为主角在虚拟环境中感受到的真实程度，理想的虚拟现实环境下，应该达到以假乱真的程度，使用户难以分辨。（4）自主性。自主性是指虚拟环境中的物体具有能够与现实生活中的物体一样依据物理定律动作的程度。20 世纪 50 年代，Goertz 在核废料处理主从操作机器人系统中首次提出了力觉主手的概念6。在灵巧手系统中，我们把用于实际作业的机械手称为从手，而人实际操作的，用于获取人手位姿信息的装置，称为触感交互装置或者主手。力觉主手是主从遥操作机器人系统的关键部件，一般情况下，它是对从手机械手进行实时运动控制的输入设备；当从手与物理环境相互作用产生力时，主手将这个力提供给操作者，成为一种力觉感知的接口设备。主操作手向操作系统传送位置姿态、运动速度等多种信息，同时可以接受控制系统发来的力和力矩等环境信息，是人与机器人之间建立紧密动态关系的重要接口，为操作者提供力觉临场感，实现对灵巧手的有效干预和控制，使操作者与系统之间建立了一种紧密的动态耦合，这种操作具有形象性、直接性、连续性和力觉临场感。采用主手作为输入接口，操作直观、自然，与使用计算机键盘或操作杆操作形成了鲜明的对比，操作者在使用时不用进行思维的转换，可以充分发挥各种感官对信息的接受和处理能力。在此基础上，结合视觉、听觉等信息，可以提高操作效率，扩大操作范围，保证作业的安全性。目前，灵巧型触感交互装置的两大主要功能是对操作者手指的运动位姿测量和与外界环境交互的力触觉反馈。它主要用于两个方面：主从控制系统，如外科手术的精密微操作，以及太空、核反应堆等极端环境中的工作；虚拟现实系统，如模拟外科手术、游戏以及各种模拟训练。早期触感交互装置一般只应用于主从控制系统，1949 年美国 ANLage 实验室研制的纯机械结构的 M1 型主从式遥操作机是最早的应用实例2。随着计算机的发展，智能化、虚拟现实及科学可视化促进了触感交互装置应用领域的拓展。现在，越来越多的触感交互装置应用于虚拟现实领域。2、国内外的研究现状市场上多以仅具有位置检测的感应手套为主。随着虚拟现实、新型传感器以及计算机技术的发展，具备力反馈的主操作手渐渐成为新宠。越来越多的国内外高校开展了该项领域的研究，并取得了丰硕的成果，甚至各相关公司也纷纷推出自己的产品。从结构上可以将主操作手分为穿戴型主手和桌面型主手，下文将分别介绍两种结构中几种比较典型的主操作手。参考文献1周丽平.超声电机驱动五指灵巧手的研制,硕士学位论文.南京:南京航空航天大学,2008.2孔英.基于多操作系统通用性主手控制器的研究,硕士学位论文.山东:山东科技大学,2006.3郑晓曦.论虚拟现实之意义.武汉交通科技大学学报,2000,13(4):810.4杨宝民,朱一宁.分布式虚拟现实技术及其应用.北京:科学出版社,2000:820.5周思跃.基于虚拟现实的机器人灵巧手遥操作平台的设计和实现,博士学位论文.上海:上海大学,2006.6 R.C.GOERTZ. Fundamentals of Gerneral-Purpose Remote Manipulators. Journal of Nucleonics.1952, 10(11):3642.7 AVIZZANO C A, et al. The Hand Force Feedback: Analysis and Control of a Haptic Device for the Human Hand. IEEE International Conference on Systems, Man and Cybernetics, 2000,2: 989994.8 NAKAGAWARA S, et al. An Encounter-Type Multi-Fingered Master Hand Using Circuitous Joints. IEEE International Conference on Robotics and Automation, 2005: 26672672.9 KOYAMA T, et al. Multi-Fingered Exoskeleton Haptic Device using Passive Force Feedback for Dexterous Teleoperation. Proceedings IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, 2002, 3: 29052910.10戈登麦库姆.机器人本体制作指南(原魁,房立新译).北京:机械工业出版社,2006.3:2554.11AMRAgur,MJLee.GrantsAtlasofAnatomy.LippineottWilliamsandWilkins,10thEdition,1999:5570.12张玉茹,李继婷,李剑锋.机器人灵巧手:建模、规划与仿真.北京:机械工业出版社,2007.4:4962.13王爱民,戴金桥.一种新型的力反馈实现方法.东南大学学报,2007,37(3):414419.14刘伊威,金明河.DLR/HIT仿人机器人灵巧手的设计.机械制造,2006,44(507):3235.15李涛,骆敏舟,张志华等.基于欠驱动机构的仿人机器人手爪设计.机电一体化,2010,1:2933.16王珺,孙志峻,郭语.基于特征点集的五指灵巧手主从映射方法.机械设计与研究.2009,25(5):3538.17王爱民,戴金桥.一种基于电流变液体的力反馈装置.传感技术学报,2007,20(4):774777.毕 业 设 计（
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