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机器人的作业能力.因此,临场感技术,特别是力觉临场感的研究对增强我国的综合国力,对我国赶超世界尖端技术具有十分重要的意义.1.3远程机器人的总体分析
1.3.1远程机器人的构成
远程机器人代替人在人难以接近或对人体有害的环境下作业,已取得了巨大的成功,是当今机器人领域研究的热点.远程机器人主要由五部分组成:操作者,主机械手,通信环节,从机械手和作业环境.有的远程机器人还要有智能化人机接口.远程机器人一般都有移动装置,观察系统等辅助设备.如果没有这些辅助设备,一般不能称为远程机器人,只能称为双向伺服主从机械手[5].远程机器人的组成如图1-1所示.
1.3.2本课题机器人从手结构
如图1-2所示的球关节混联机器人结构构型.该机器人采用具有冗余自由度的7+1自由度构型设计,第一关节是辅助关节,为移动关节,实现手术机械手整体的上下移动,第二,第三关节为两个平行的转动关节,实现手术臂在水平面内的大范围调整,第四关节带平行四边行机构的转动关节,相当于手臂的肘关节,保证位置机构运动时,末端工具只发生位置的改变而姿态不发生变化,第五关节为球关节,实现两个自由度的转动,调整手术工具杆的姿态,第六关节为移动关节,用于控制手术工具杆的伸缩,第七个关节为转动关节,实现手术工具的自转.姿态机构,采用三轴交汇于一点RCM(RemoteCenter-of-motion)的结构,可以保证末端工具能以某个固定点为中心产生大范围的角度调整.
1.3.3双向力反应
为了提高主从手的操作性能,本课题采用力反馈技术.力反馈技术是以人为中心,通过各种传感器将从手与作业环境的交互信息,反馈给操作者,使操作者有身临其境的感觉.力觉是动觉的一种,它是把从手的操作力传递给主手,反向驱动主手,形成双向力反应[6].
1.4本文研究内容
力反馈遥控技术是当今应用于机器人领域的热点,本文通过对力反馈技术的分析,在实物的基础上加以改造,设计了力反馈遥控器.本文研究内容共分六章:
绪论主要介绍力反馈技术的应用及背景.阐述了选题的目的和意义.
力反馈遥控的技术分析主要分析力反馈结构,力反馈装置的特点,力反馈的关键技术.
力反馈遥控器控制系统的分析主要介绍力反馈控制系统的组成,各个模块的功能.
力反馈遥控器硬件设计主要介绍力反馈遥控器控制系统各个模块的结构和选型,以及各模块电路的设计.
力反馈遥控器部分程序设计主要介绍力反馈遥控器控制的一些关键部分的程序设计.
力反馈遥控器结构及外形设计主要介绍了遥控器设计步骤和遥控器可以完成的功能.
总结与展望对本文进行了总结并对力反馈遥控器的发展做了初步展望.
第二章力反馈技术的分析
2.1力反馈装置的分类
力/力矩反馈装置应用的范围广泛,不同的功能和应用场景使得装置的工作原理和结构相差很多.下面根据力/力矩反馈装置的构型特点分为串联,并联,混联等类型.
(1)串联结构力/力矩反馈装置串联结构的力/力矩反馈装置主要是模仿人的手臂,最具有代表性的是由美国SensAbleTechnology公司生产Phantom(PersonalHapticinterfacemechanism)力反馈手臂,其结构如图2-1[7].Phantom力反馈系统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.
CyberImpact手控制器是一种小型的可反向驱动的机器人,如图2-2所示,具有6个自由度,由6个无刷直流伺服电机驱动.三个坐标轴的位置分辨率为0.0003,三个坐标轴的转动分辨率为1/90度或40分,转动范围为90-180度,最大输出力为95-111牛顿,最小的输出力为0.56-0.83牛顿.手接触式交互装置,如图2-3CAD模型所示,包括2个串联杆,称之为手指机构,每个杆件具有3个被驱动的转动副.用户通过把指尖放入该装置的套管里便能够感受到反馈回来的力.放置在末端的球关节使该机构能够到达用户指尖所指的任何方向.
并联结构力/力矩反馈装置并联结构力/力矩反馈装置主要的结构形式是采用并联机构作为运动平台,把控制器固定在并联机构的运动平台上[8].最早的并联机构Steward平台就是应用在飞行模拟器上.飞行舱放在Steward运动平台上,机构随着驾驶员的控制模拟飞机的飞行,使驾驶员感觉处于真实的环境.最简单的并联力/力矩反馈装置是2自由度的游戏手柄,如微软力反馈摇杆SideWinderForceFeedbackPro,见图2-4.这种摇杆控制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,发光管随着手柄移动,接收电路则不断地输出手柄位置移动的信号给电脑.电脑将根据游戏的情节,控制电机正,反旋转(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.
华盛顿大学生物机器人实验室研究的线性接触演示器(LHD)-Excalibur是3自由度的力反馈装置,具有很大的工作空间,输出力和结构刚度.它的特点是具有已申请专利的钢索传输系统,使得三个互相垂直的移动轴方向具有高的力和刚度.电机安装在机构的基座上,所以只有质量较轻的联接元件随手柄移动,如图2-5所示.
混联结构力/力矩反馈装置混联结构的力/力矩反馈装置一般结构形式是把几种并联机构串接到一起或者把串联和并联机构串接到一起工作.目前做的比较成功的有韩国的智能机器人研究中心(IntelligenRoboticsResearchCenter)研制的制动式被动触觉显示装置(PassiveHaptDisplaywithBrakes),VRAI(VirtualRealityandActiveInterfaces)工作组的DELTEA力反馈装置和空间机械实验室(SpaceMachinesLaborator的6自由度力反馈装置.韩国的制动式被动触觉显示装置其结构特点为:下部是3-DOF的平面并联结构,为x,y方向的移动和z方向的转动三个自由度.上部3-DOF的空间并联结构具有z方向的移动和x,y方向的转动三个自由度.两部分相连就组成新的6-DOF力反馈装置,如图2-6所示.图a制动式触觉显示装置,图bVRAI的DELTA力反馈装置.
2.2力反馈装置的特点
2.2.1结构型式
根据与操作者肢体的相互作用关系,现有的力反馈装置可以分为:基于手指的装置,基于手部的装置,基于上肢的外骨骼装置等,自由度数目由2个至6个甚至更多.按照力反馈操纵装置的结构型式可以分为:串联,并联,串-并联等型式.串联结构具有工作空间大,运动学正解容易的优点,但各环节的累积误差较大,逆解复杂,精确的运动控制难以实现.与串联机构相比,并联机构是复杂的空间多环机构,构件数目多,构件间存在严重的耦合关系,动力学计算复杂,运动学正解复杂,逆解容易,可以对平动与转动实行解耦,以提高控制精度,机构具有刚度大,承载能力大,无积累误差,自重平衡较好及各向同性较好等特点,因而,基于并联机构(如Stewart平台)的力觉交互装置引起关注.但不足之处是工作空间范围小,姿态变化幅度有限.而串-并联机构综合了串联机构工作空间大和并联机构结构紧凑的特点,因而,也逐渐受到重视.根据主,从机械手结构型式,自由度数是否相同,力反馈装置可以分为同构式与异构式两种.对于同构式力反馈装置,从手按比例跟随主手运动,结构简单,运动及控制较容易实现,目前,国,内外以同构式为主.但只适用单一&
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