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#30340;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不明确,二者的运动和动力对应关系需在计算机中经过运动学和动力学正逆解算,将关节空间映射到操作空间,通过合理地选择主,从手之间的力和运动比例,将其分配到力反馈装置的各个关节上,由各关节驱动元件产生操作者感知的力信息,控制算法比较复杂,但运动形式灵活多样,通用性强,更适合现代机器人智能化的需要,是一个重要的研究方向.2.2.2力反馈实现方式
力反馈是将关节空间的力映射为操作空间的力,最终在操作者手指或手部实现力觉反馈的过程.力觉的产生需要通过一定的动力元件完成,由于操作空间的力与操作者的手部直接接触,要求动力元件具有足够的带宽和动态范围,较大的功率密度(功率/重量比或功率/体积比)以及安全可靠.现有的力反馈实现方式可分为主动和被动两种形式.主动形式是指反馈力通过动力元件及传动机构直接作用在操作者肢体上,使操作者获得真实力觉的形式.动力元件有力矩电机,直流伺服电机,振动器以及气缸,液压缸,气动人工肌肉,电流变流体,磁悬浮,形状记忆合金,压电晶体,电致和磁致伸缩机构等.被动(又称为本质无源)形式是指当从机器人与环境发生接触时,利用电机堵转(抱闸),塑性紧固等方式使机构失去自由度,当操作者肢体移动时感觉到机构或装置的反作用力,从而获得力反馈的方式.主动形式需要限制力/力矩,以免力/力矩过大对使用者造成伤害,而被动形式要求操作者主动向机构施力,否则就感觉不到力,而且无法进行误差补偿.
2.2.3力反馈操纵装置的控制方式
力反馈操纵装置的控制方式可以分为主-从完全匹配型和通用匹配型.主-从完全匹配型是针对特定机械手的主-从控制,主手的结构,自由度分布以及工作空间都与从机械手相同,比较容易实现主-从双向伺服控制,并得到较好的控制结果.但移植性较差,无法与其他结构型式的机械手匹配.通常,工业机械手的结构和自由度与人体的关节结构和自由度分布不同,使操作的舒适性和协调性不佳,导致操作不便.通用匹配型是为了提高控制的舒适性和协调性,将力反馈装置尽量设计成与人体的关节,自由度及运动范围相符.但是,这种类型的主手通常与从机械手的结构,自由度以及工作空间都有较大的差别,需要通过运动学,动力学正逆解,产生控制和反馈指令.目前,主要有点对点,姿态对姿态等多种匹配方法.对于更一般的匹配问题,需要建立一种方便有效的方法,通过调整操作空间与关节空间中的各个参数,达到良好的匹配效果.
2.2.4力反馈操纵装置性能指标
随着远程机器人应用领域的不断扩大,从机械手的结构趋于多样化,一般需要根据从机械手的应用场合设计力反馈操纵装置.力反馈操纵装置均由特定的机构组成,通常按照自由度数,工作空间,各向同性,结构奇异,灵巧度,位置精度等评价机构的性能指标进行设计,但作为力反馈操纵装置,除了应满足上述指标以外,还包括力反馈的范围(又称模拟刚度)和力反馈精度,动态特性以及人体工程学等指标.例如,力反馈装置可以用最大模拟刚度(N/m)来评价.研究表明,大多数操纵装置能够接受的刚度为20N/m,可以施加在操作者手指的最大值为40N/m,但是执行精确操作时,则不能超过10N/m.此外,为提高力反馈的精度,力反馈装置的动态特性应与人体的运动响应特性相适应[9].
2.3力反馈装置的关键技术分析
2.3.1.性能要求
远程机器人系统应用领域广泛,对于力反馈操纵装置的性能指标要求尚没有统一的标准,一般应根据具体主-从远程机器人系统的使用场合来决定.从功能上讲,力反馈操纵装置的作用主要包括两个方面,一方面,将操作者手部的位置和姿态信息实时准确地传送给远端机器人,另一方面,将从机器人与环境的相互作用力/力矩信息反馈给操作者.理想的力觉临场感能使操作者感知的力等于从手与作业对象之间的作用力,同时从手的位置跟踪主手的位置,此时的力反馈控制系统称为完全透明.总体上,应该具有结构简单,紧凑,操作灵活轻便,摩擦和惯性小,具有合适的操作空间和出力,符合操作者的动力学特性,通用性强等特点.概况起来主要包括以下几个方面:
(1)位置控制精度
通常,主手的运动将按照一定的映射关系变为从机器人的运动,因此,要求主手的位置控制精度较高.主手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是决定从手跟踪主手位移精度的重要因素,此外,减制造,安装误差和结构变形引起的非线性因素,也是主-从远程机器人系统完成精密操作务的前提条件之一.
(2)反馈力范围
主手的反馈力通常由力矩电机,液压或气动装置产生,反馈力应处于适当的范围,反馈力的下限与机械结构,摩擦力,惯性力有关.研究表明,在信息感知方面,人只能在生理极限能够承受的环境中,进行有限小阈值范围内,模糊定性的感知.因此,主手的力觉阈值小于人手的最小感知阈值将是力反馈操纵装置设计的目标之一.主手承受的主动载荷为人手的作用力,一般不超过10kg,长时间工作时的载荷更小,反馈力的上限应使操作者操作安全,不易产生疲劳感.
(3)动态特性
为了使操作者产生灵敏的力觉,要求力反馈操纵装置的各个运动副运动灵活,摩擦力小,使主手的动态响应与人手能够感知的信号频率范围相匹配,这种性能将取决于力反馈操纵装置的结构及驱动元件的动态响应特性.
(4)各向同性
主手的各向同性主要是指在任何位置和姿态下动力学参数的一致性,如摩擦力,重力和惯性张量在不同位姿下的一致性,特别是惯性张量的一致性,它是主手位姿的函数,若其数值变化较大,则会造成同样大小的反馈力,在力反馈操纵装置处于不同位姿时给人造成不同的力感觉,因此,应设法使驱动元件的力/力矩控制信息中不包含与位姿有关的信息或减小其影响.
(5)稳定性
稳定性是主-从远程机器人系统正常工作的基本条件.操作者与从机器人之间的通信时延是影响远程机器人系统稳定性的主要因素,时延降低了系统的稳定性,基于现代控制理论的方法,基于虚拟现实的方法和基于网络理论的方法有望消除或减小时延的影响.对于从机器人与作业对象碰撞冲击造成的稳定性问题,可设计一个自适应力控制器,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.
(6)人体工程学指标
在人-机关系中,人始终是工作的主体,人要完成监视,控制,决策等功能.因此,在设计人-机系统时,应对人的特性进行充分的考虑,只有这样才能保证机的设计符合人的需要.人的感知是生理分析器工作的结果,其特征包括整体综合性,选择性,理解性,恒常性,适应性,限值性,多样性,模糊性,个体感知差异性等,因此,设计与人的手部直接接触的力反馈操纵装置时,除了考虑装置的可操作性,即稳定性,快速性,准确性以外,还应使反馈的力实时,精确,安全地反映到手部,尤其应考虑适应性,限值性等特征.作为力反馈操纵装置,还应考虑与操纵装置相关的人的力学和几何特性,如上肢向前后左右的推力和拉力极限值,活动范围等因素.应按照人体工程学原理进行主手的结构设计,考虑操作的舒适性,安全性,宜人性,设计适当的操纵空间,或通过设置不同的主,从位移比和力比,实现对人体肌力和运动的放大和缩小,使操作者对于软,硬不同的操作对象或操作空间较大的从机械手,既能保证力感觉的逼真又不致于产生疲劳感.对于力反馈操纵装置一般要求满足下列性能:
操纵杆末端的
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