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477;对运动线速度小于1.0m/s,角速度小于1.0r/s,保证操作者的舒适安全,手部的反作用力小于100N,
由操纵杆传递至手部的功率小于40W.
总之,为了实现力反馈操纵装置的性能,通常要求力反馈操纵装置具有适当的工作空间且在工作空间内无奇异点,低惯量,低摩擦,高刚性等特性,具有足够大的反馈力幅值和带宽,其形状,大小及阻力应适应人的操作肌体解剖结构与功能特点[10].
2.3.2结构设计
主手直接与操作者的手部交互,其结构型式,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.
结构型式
串联机构各环节的累计误差较大,运动学正解容易,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,同串联机构相比,其构件数目多,构件间存在严重的耦合关系,从而使动力学方程相当复杂,工作空间范围小,姿态变化幅度有限.并联机构运动学逆解容易,但正解复杂,可以对平动与转动实行解耦,有利于提高控制精度,而且机构刚度大,承载能力大,无累计误差,因而,基于并联机构的操纵装置的设计研究越来越受到重视.串-并联机构综合了两者的优点,近年来出现了相应的力反馈操纵装置的研究成果.同构式是指主-从机械手结构型式,自由度相同,从手按比例跟随主手运动,具有结构简单,运动及控制较容易实现等特点,是国内外研究的主流.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,从手之间的力比和位置比,将其分配到操纵装置的各个关节上,由各关节驱动元件产生操作者感知的力信息和从机器人的运动信息.通常,控制算法较复杂,但运动形式灵活多样,通用性强.理想的力反馈操纵装置应能够实现机械结构上解耦,从而简化运动学和动力学解耦运算问题,实现实时控制.
各向同性与结构非奇异性
主手在不同的位形时应具有力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力线性传输的各向同性能力,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,愈容易实现高精度的运动控制,各向同性越好.当条件数等于1时,机构处于最佳的运动传递性能,通常称机构的这一位形为各向同性.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量小,另一方面应使其正常工作范围处于条件数较小的区域内,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,行列式为零,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,因此在进行力反馈操纵装置结构设计时应避开奇异位形.
其他
操作者感知的环境的力/力矩信息受主手本身动力学特性的干扰,尤其当各关节的惯量和摩擦较大时,力感知的精度和灵敏度将大为降低.为了减小系统误差,实现高精度的力觉反馈,主手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,尽量减少中间环节,提高其动态响应频率.例如,采用液压驱动方式时,为了减小主手的阻抗,应选用低摩擦的液压执行元件,在满足工作性能要求的前提下,尽量使其结构紧凑,重量轻,以便为操作者提供高保真的力觉临场感.力觉临场感系统的一个特点是通过从机器人与作业对象交互的力反馈使操作者感知作业环境的动力学特性,因此,碰撞是不可避免的.碰撞过程中,控制系统的参数会发生变化而产生颤噪干扰,容易造成系统工作不稳定.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,减少反馈力对主手造成的反冲.基于人的远程机器人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,处理好力觉临场感与操作的舒适性,宜人性,灵巧性,安全性,稳定性等性能之间的关系[11].
2.3.3驱动方式
通常,操纵装置由操作者和动力元件驱动,各关节驱动机构将力觉临场感提供给操作者,因此,驱动机构和驱动方式是为操作者提供力感知的关键.驱动机构很大程度上决定了主手本体的结构.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/重量比或功率/体积比),另外,由于与操作者的手部直接接触,因此,安全性要求必不可少.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力觉感知.传统的驱动方式有电动,气动,液压.直流力矩电机能够在长期堵转或低速运行时产生一定的力矩,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,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做执行元件.气压传动具有柔性,安全,紧凑,重量轻等特点,而且清洁,不污染环境,适合作便携式的主手的驱动方式.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.液压传动具有功率密度大,响应快,可以实现精确的位置,力控制等一系列优点,但需要一套专门的泵站.近年来,由形状记忆合金机构,压电晶体驱动机构,电致和磁致伸缩驱动机构,气动肌肉等新型功能材料构成的驱动机构的出现,将在某些力反馈操纵装置中具有应用前景.
2.3.4检测与控制系统结构
通常,力,位移传感器是力觉临场感系统中必不可少的信息检测工具,传感器直接影响力觉临场感的性能,精度高(分辨率,灵敏度和线性度等),可靠性高和抗干扰能力强的传感器是实现力反馈操纵器功能的基础.传感器检测目的是充分利用主,从机械手两侧的力和位置(运动)信息,抑制惯性力,摩擦力等因素对力反馈的干扰,实现力觉闭环控制,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.多维力/力矩传感器在力觉临场感中起重要作用,通常其输出的力是耦合的,这就要求传感器的信号处理系统进行软件解耦,因而检测系统较复杂.根据位移量的类型(直线或角位移)和位移控制精度选择位移传感器类型,精度,量程.研究表明,力传感器本身的刚性和安装位置对系统稳定性有影响,应尽量采用柔性大的腕力传感器,并且尽量靠近关节驱动器,减小操纵器本体动力学对稳定性的影响.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-位置型,位置-力型,力反馈-位置型以及改进的力反馈-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,时延不可避免,较大的时延通常会使系统不稳定.因此,近年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不同控制方案,其主要区别在于采用主,从手两侧的位置和力信息的不同组合,构成不同的控制算法,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力进行控制,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力学干扰.
力反馈系统的控制结构决定了主手上传感器的种类,数量,结构,安装位置,操纵器结构设计必须以控制结构为依据.控制策略不同,操纵器的控制(驱动)信号不同(力/力矩信号,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力,位
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