CN105108762B - 一种基于力/触觉引导的遥操纵手控器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于力/触觉引导的遥操纵手控器，由上平台机构和下平台机构组成,上平台机构主要由X轴方向旋转运动机构、Y轴方向旋转运动机构及Z轴方向旋转运动机构组成，其中实现X、Y方向旋转的机构并联组成具有2转动自由度并联机构并与Z轴旋转自由度机构串联在一起形成具有3转动自由度的混联式机构，其在可操作性、准确性、灵活性、安全性等方面克服现有遥操纵手控器的缺陷，提高了机器人的操控效率。本发明是一种具有力/触觉引导功能的遥操纵手控器的装置。

Description

一种基于力/触觉引导的遥操纵手控器

技术领域

本发明涉及一种基于力/触觉引导的遥操纵手控器，属于机器人人机交互领域，特别涉及一种基于力/触觉引导功能的遥操纵手控器装置。

背景技术

机器人对于高温、高压、强辐射等极限环境下作业任务的完成发挥了愈来愈重要的作用。机器人正朝着智能化的方向发展，然而由于受控制、传感及人工智能等发展水平的制约，研制出在变化环境下的全自主机器人是短期内难以达到的目标。操控终端，简称手控器，是操作者和机器人之间进行人机交互的桥梁，必须有较高的操控效率和实时性。

机器人常用的双向伺服控制策略，无论是力/位置混合控制、阻抗控制、自适应力控制等，主要研究的是如何高保真地“再现与感知”机器人的作业反力；而对机器人自由运动时，即未与环境发生接触，如何通过力感来引导操作者的操纵行为未做探讨。

“Marr深度重建”视觉理论框架的提出，为立体视觉的发展做了铺垫。在此基础上，各种机器人视觉控制方法纷纷涌现，并在实践中获得了诸多成功的应用。视觉伺服无疑大大增强了机器人局部自主操作的智能化程度；然而，视觉伺服作业任务成功完成的前提是目标对象图像特性已知。这在大多数情况下，尤其是深海、太空探险以及灾害现场救助等场合，与工作现场环境的不可预知性这一先决条件相悖。因此，这对变化或未知环境下的机器人作业，仍需探索适合的解决方案，以提高机器人控制的适用范围。

视觉与机器人力控制结合起来的研究有效提高了机器人自主作业的安全性水平。然而无论是混合视觉/力控制策略还是视觉阻抗控制实验，都仅是力反馈控制在机器人视觉伺服上的应用延伸，其中的反馈力主要用于实现机器人对作业对象或环境的“顺从”。视觉与力觉的融合仅作用于现场机器人的闭环控制，由于二者没有参与到人的智能决策回路中，该控制策略在面对复杂多变的作业任务或未知环境是便显得无能为力。此外，反馈力的产生依旧是以机器人与作业环境的接触为前提。

综合操作者的手动控制和机器人的自主控制的优点，在人、自主控制系统之间进行协调，共同对机器人进行控制，即共享控制。共享控制虽然已经被大量应用于环境不可预知、时延导致的控制信号不可靠等机器人操控场合，但是现有的共享控制方法普遍存在传感信号多、控制系统复杂等问题，而且无论是自由度分割与融合的共享控制方式（人的手动与机器人的自主分别控制机器人的不同自由度，而非共同控制某个自由度），还是基于视觉共享的任务分解控制方式（人先手动操纵机器人到指定位置，机器人再自主完成作业任务），操作者的智能与机器人的智能在控制回路依旧相对独立，融合度不高，难以适应复杂的、多变的作业环境。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于力/触觉引导的遥操纵手控器，其在可操作性、准确性、灵活性、安全性等方面克服现有遥操纵手控器的缺陷，提高了机器人的操控效率。本发明是一种具有力/触觉引导功能的遥操纵手控器的装置。

本发明的技术方案是这样实现的：基于力/触觉引导功能的遥操纵手控器，由上平台机构和下平台机构组成,上平台机构主要由X轴方向旋转运动机构、Y轴方向旋转运动机构及Z轴方向旋转运动机构组成，其中实现X、Y方向旋转的机构并联组成具有2转动自由度并联机构并与Z轴旋转自由度机构串联在一起形成具有3转动自由度的混联式机构，其特征在于：上平台机构由手柄、Z方向旋转轴、六维力传感器、X方向旋转轴、X方向齿轮组、Y方向旋转轴、惰轮轴、X轴电机侧支撑架、端盖、光电开关片、光电开关、X轴电机支座、支撑架、上平台基板、X轴电机、Z方向齿轮组、Z轴传动杆、Y轴电机、Y轴电机支座、Y轴电机侧支撑架、Y方向齿轮组、角接触球轴承、Z轴支架、铰链轴、Z轴电机、螺栓、卡簧、铜套组成；

X轴方向旋转运动机构包括X方向旋转轴、X方向齿轮组、惰轮轴、X轴电机侧支撑架、端盖、光电开关片、光电开关、X轴电机支座、支撑架、X轴电机及螺栓、卡簧;Y轴方向旋转运动机构包括Y方向旋转轴、端盖、光电开关片、光电开关、Y轴电机、Y轴电机支座、Y轴电机侧支撑架、Y方向齿轮组、角接触球轴承及螺栓、卡簧等部件;Ｘ、Ｙ旋转机构均固定在上平台基板上并相互垂直布置，电机运行时，X、Y方向上互不干涉相互独立运动；

X轴方向旋转运动机构的具体布置位置为： X轴电机侧支撑架、X轴电机支座和支撑架分别通过螺栓固定在上平台基板上，X轴电机由X轴电机支座固定；X方向旋转轴两端通过角接触球轴承分别与X轴电机侧支撑架、支撑架采用过盈配合的方式装配,X轴电机通过X方向齿轮组带动X方向旋转轴，并且通过安装在X方向旋转轴上的铰链轴把X方向上的旋转运动传递给Z轴支架，Z轴支架与铰链轴之间采用间隙配合安装铜套，铜套与Z轴支架过盈配合，并在Ｚ轴支架两端用卡簧固定，对Z轴支架限位；

Y轴方向旋转运动机构各部件的具体布置位置为： Y轴电机侧支撑架、Y轴电机支座和支撑架分别通过螺栓固定在上平台基板上，Y轴电机由Y轴电机支座固定；Y方向旋转轴两端通过角接触球轴承分别与Y轴电机侧支撑架、支撑架采用过盈配合的方式装配；同时Y方向旋转轴通过一个圆弧形凹槽与安装在Z轴支架上的传动杆连接，Y轴电机通过Y方向齿轮组带动Y方向旋转轴，并通过Y轴上的圆弧形凹槽带动传动杆将Y方向的转动传递给Z轴支架，同时X、Y旋转机构垂直布置，X旋转机构通过传动杆将沿凹槽圆周方向往返运动，Ｘ、Ｙ方向上运动独立互不干涉；

Z轴方向旋转运动机构包括手柄、Z方向旋转轴、六维力传感器、Z方向齿轮组、Z轴传动杆、Z轴支架、Z轴电机、螺栓， Z轴支架加工为上下两部分， Z轴电机、Z方向齿轮组、Z轴传动杆固定连接在Z轴支架上，通过螺栓将Z轴支架上下两部分固定连接；手柄、六维力传感器均用螺栓固定在Z方向轴上。Z轴电机通过Z方向齿轮组带动Z方向旋转轴；

下平台机构由电机、曲柄、基座、基底板、端盖、连杆、运动底板、固定座、支架组成，且下平台呈现三角对称，基底板和运动底板均呈三角形，电机通过基座分别固定连接在基底板的边沿，电机的输出端均有曲柄，曲柄分别通过平行四边形的连杆、支架、固定座与位于基底板上方的运动底板三个角连接，通过螺钉将下平台机构的运动底板与上平台基板固定，从而实现下平台机构与上平台机构的连接。

本发明的积极效果是可解决现有遥操纵手控器在可操作性、准确性、灵活性、安全性等方面存在的问题，提高了机器人的工作效率，有很广泛的应用前景。

附图说明

图1为本发明的结构图。

图2为本发明的上平台机构的结构图。

图3 为X方向旋转机构与Ｙ方向旋转机构的结构及空间布置图。

图4 为X方向旋转机构与Z方向旋转机构的空间布置。

图5 为Y方向旋转机构与Z方向旋转机构的空间布置。

图6为本发明的下平台机构的结构图。

图7为本发明的力引导型手控器工作原理图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明：如图1-4所示，基于力/触觉引导功能的遥操纵手控器，由上平台机构A和下平台机构B组成,上平台机构A主要由X轴方向旋转运动机构、Y轴方向旋转运动机构及Z轴方向旋转运动机构组成，其中实现X、Y方向旋转的机构并联组成具有2转动自由度并联机构并与Z轴旋转自由度机构串联在一起形成具有3转动自由度的混联式机构，其特征在于：上平台机构A由手柄1、Z方向旋转轴2、六维力传感器3、X方向旋转轴4、X方向齿轮组5、Y方向旋转轴6、惰轮轴7、X轴电机侧支撑架8、端盖9、光电开关片10、光电开关11、X轴电机支座12、支撑架13、上平台基板14、X轴电机15、Z方向齿轮组16、Z轴传动杆17、Y轴电机18、Y轴电机支座19、Y轴电机侧支撑架20、Y方向齿轮组21、角接触球轴承22、Z轴支架23、铰链轴24、Z轴电机25、螺栓26、卡簧27、铜套28组成。

X轴方向旋转运动机构包括X方向旋转轴4、X方向齿轮组5、惰轮轴7、X轴电机侧支撑架8、端盖9、光电开关片10、光电开关11、X轴电机支座12、支撑架13、X轴电机15及螺栓、卡簧实现Y方向旋转自由度的结构包括Y方向旋转轴6、端盖9、光电开关片10、光电开关11、Y轴电机18、Y轴电机支座19、Y轴电机侧支撑架20、Y方向齿轮组21、角接触球轴承22及螺栓、卡簧等部件；Ｘ、Ｙ旋转机构均固定在上平台基板14上并相互垂直布置，电机运行时，X、Y方向上互不干涉相互独立运动。

X轴方向旋转运动机构与Z轴方向旋转运动机构的空间布置如附图4所示，X轴方向旋转运动机构各部件的具体布置位置为： X轴电机侧支撑架8、X轴电机支座12和支撑架13分别通过螺栓固定在上平台基板14上，X轴电机15由X轴电机支座12固定以防止运行时X方向齿轮组5产生的作用力所造成的啮合间隙变大；X方向旋转轴4两端通过角接触球轴承22分别与X轴电机侧支撑架8、支撑架13采用过盈配合的方式装配。当X轴电机15运行时经X方向齿轮组5带动X方向旋转轴实现X方向上的旋转运动，并且通过安装在X方向旋转轴上的铰链轴24把X方向上的旋转运动传递给Z轴支架23。Z轴支架23与铰链轴24之间磨损较大，故在铰链轴24上采用间隙配合安装铜套28，铜套28与Z轴支架23过盈配合，并在Ｚ轴支架23两端用卡簧27固定避免Ｘ方向旋转运动时Z轴支架23来回移动。

Y轴方向旋转运动机构与Z轴方向旋转运动机构的空间布置如附图5所示，Y轴方向旋转运动机构各部件的具体布置位置为： Y轴电机侧支撑架20、Y轴电机支座19和支撑架13分别通过螺栓固定在上平台基板14上，Y轴电机18由Y轴电机支座19固定以防止运行时Y方向齿轮组21产生的作用力所造成的啮合间隙变大；Y方向旋转轴6两端通过角接触球轴承22分别与Y轴电机侧支撑架20、支撑架13采用过盈配合的方式装配；同时Y方向旋转轴6通过一个圆弧形凹槽与安装在Z轴支架23上的传动杆17连接。当Y轴电机18运行时经Y方向齿轮组21带动Y方向旋转轴实现Y方向上的旋转运动，并通过Y轴上的圆弧形凹槽带动传动杆7将Y方向的转动传递给Z轴支架23，同时X、Y旋转机构垂直布置，当X旋转机构运行时传动杆７将沿凹槽圆周方向往返运动。因此Ｘ、Ｙ方向上运动独立互不干涉。

Z轴方向旋转运动机构包括手柄1、Z方向旋转轴2、六维力传感器3、Z方向齿轮组16、Z轴传动杆17、Z轴支架23、Z轴电机25、螺栓26及键等部件，为便于安装，Z轴支架23加工为上下两部分，安装过Z轴电机25、Z方向齿轮组16、Z轴传动杆17后用螺栓将Z轴支架23上下固定。手柄1、六维力传感器3均用螺栓固定在Z方向轴上。当Z轴电机25运行时，通过齿轮传动带动Z轴实现绕Z轴自身的旋转。

下平台机构B由电机29、曲柄30、基座31、基底板32、端盖33、连杆34、运动底板35、固定座36、支架37组成，且下平台呈现三角对称;基底板32和运动底板35均呈三角形，电机29通过基座31分别固定连接在基底板32的边沿，电机29的输出端均有曲柄30，曲柄30分别通过平行四边形的连杆34、支架37、固定座36与位于基底板32上方的运动底板35三个角连接。通过调节三个电机的转速，可实现三个方向上的平移运动。通过螺钉将下平台的运动底板35与上平台基板14固定，从而实现下平台与上平台的连接。当上、下平台的电机一起运行时，可实现末端手柄１在空间六自由度的运动。

上平台结构

为了追求手控器的小型化，在满足X、Y方向转动为±30°的要求、保证不发生干涉现象的前提下，上平台机构采用由实现X、Y方向旋转的机构并联组成2转动自由度并联机构与Z轴旋转自由度机构串联在一起形成的3转动自由度混联式机构。这在手控器的设计中是比较创新的地方，它即使结构变得紧凑、刚度足够，又有较大的工作空间。

上平台的整个运动过程为：如图2所示，X轴电机15运行，带动X轴实现旋转运动，并且通过铰链轴24把X方向的转动传递给Z轴支架23；同时Y轴电机18运行实现Y方向的旋转运动，并通过Y方向旋转轴6上的凹槽、Z轴传动杆17将Y方向的转动传递给Z轴支架23；Z轴电机25经齿轮带动Z轴传动杆17自身旋转，所以Z轴传动杆17在三个方向上实现转动，从而使安装在Z轴传动杆17末端的操作手柄也能发生三个自由度的转动。

当X轴电机15运行时经X方向齿轮组5带动X方向旋转轴实现X方向上的旋转运动，并且通过安装在X方向旋转轴上的铰链轴24把X方向上的旋转运动传递给Z轴支架23。

当Y轴电机18运行时经Y方向齿轮组21带动Y方向旋转轴实现Y方向上的旋转运动，并通过Y轴上的圆弧形凹槽带动传动杆7将Y方向的转动传递给Z轴支架23，同时X、Y旋转机构垂直布置，当X旋转机构运行时传动杆７将沿凹槽圆周方向往返运动。

当Z轴电机25运行时，通过Z方向齿轮组传动带动Z轴支架23实现绕Z轴自身的旋转，同时Z轴接收从Ｘ、Ｙ旋转机构传递过来的Ｘ、Ｙ方向上的运动，从而使末端手柄１能够实现空间３旋转自由度的运动。

下平台结构

如图6所示，由于并联机构因其具有刚度高，承载能力强，末端惯量小、运动精度高，动力性能好，易于反馈控制等优点。Delta机构可实现平动与转动的解耦，从而增大平动和转动的运动范围。选择正解和反解均易求得的非偏置式Delta机构作为下平台，使运动控制简单有效。

通过选择不同的曲柄与连杆比进行运动学仿真，由机构正向运动学分析以及末端效应器的位置分布结果可知：当曲柄30与平行四边形连杆34尺寸比小于1时，曲柄30能够获得更大的运动空间；此外比例越小越能确保驱动末端手柄1的Z轴电机25有较小的运动范围。因此在设计时选择的曲柄30与连杆34的比为0.5，选择曲柄30长度使下平台Delta机构的运动底板35垂直方向上平移±80mm，前后、左右平移±80mm。即为手控器的移动范围。

控制系统

本发明是一种具有力/触觉引导功能的新型手控器装置（主手），其工作过程如图7所示。

所谓力/触觉引导功能，就是手控器采用操纵力与虚拟引导力融合的人—机

共享控制方法。手控器内部装有力/力矩传感器，它能检测出操作者对手控器末端手柄施加的力，然后将检测到的力信号传入控制单元中；图像采集系统主要包括双目摄像头和相应的数据处理与传输模块，根据人工势能的理论和立体视觉技术，提取图像的颜色和深度信息并实时重构从端机器人末端与作业对象虚拟引

力、障碍物的斥力，通过时变的加权方式，将作业对象虚拟引力、障碍物虚拟斥力、图像虚拟约束力进行合成，并将合成的虚拟引导力映射到手控器的控制单元中；在控制单元中通过采用基于位置的力引导控制策略，合理分配操作者手动参与和机器自主参与的权值，将机器人的自主任务规划和手动控制有效结合，得到最终数据是手控器每个关节的转角和转速信息。

为实现其力/触觉引导功能，在设计控制系统时选用6个直流无刷电机进行驱动。并根据手控器具体的工作过程，设计了包含力/力矩检测模块、控制驱动器模块、驱动器闭环控制电机转速模块和限位模块的实用的电机伺服控制系统。

控制方案的优点及技术效果：

手控器采用以目标对象为导向构建引导机器人接近目标对象的虚拟引导力同操作者的操纵力进行融合的新型的人机共享控制方法，可以提高机器人的作业效率和安全性能；同时，由于虚拟引导力暗含了机器人末端与作业对象的相对位姿信息，该力对操作者行为的指导，具有“示教”作用，能够缓解操作者控制机器人产生的精神压力和心理疲劳，而且，力引导控制策略可以避免远距离视频图像传输时滞带来的误操作。

在虚拟引导力和操作者操纵力的辅助引导下，操作者能够通过手控器上的动觉和力觉感知反映现场环境中作业对象对从端机器人的吸引，从而引导操作者控制机器人迅速接近目标；机器人临近碰撞时，手控器上的预测反力能够在非接触的状态下将机器人“推开”，在一定程度上实现对人手操作的导航；此外通过虚拟引导力与操纵力共享控制，虚拟引导力能够对操作者的行为予以正确的方向指引，也可以使操作者介入机器人的自主控制并予以修正，可更好地实现机器智能与人类高级决策的优点相结合。

操作者对手控器末端手柄（即上平台Z轴末端手柄）施加力的作用，装在手柄下端的六维力传感器检测到操作者施加的力，然后将检测到的力信号传入控制单元中，另一方面通过根据从端机器人末端与作业对象及障碍物的相对位姿关系获得的作业对象虚拟引导力映射到手控器的控制单元中；操纵力与虚拟引导力在控制系统中经力/力矩检测模块、控制驱动器模块、驱动器闭环控制电机转速模块和限位模块通过手控器中人—机共享控制方法，采用基于位置的力引导控制策略，合理分配操作者手动参与和机器自主参与的权值，将机器人的自主任务规划和手动控制有效结合，得到最终数据是手控器每个关节的转角和转速信息。得到达到所需手控器末端位姿所需的六个驱动电机的转速信息，驱动元件在得到这些数据后对直流电机进行调速，同时安装在驱动电机上的旋转编码器还可以检测电机的实际转速，并将此信息反馈回电路驱动器，驱动器对转速其闭环控制，从而使手控器的末端手柄位姿发生变化，形成对人手“推拽”和“示教”的运动趋势。手柄的位姿信息通过主从手之间的通信环节映射到到机器人的末端关节处，使机器人运动与手控器运动同步，实现以目标物体为导向在人手操纵力和虚拟引导力信号下共同控制机器人末端在空间六自由度的运动。

Claims (1)

1.基于力/触觉引导的遥操纵手控器，由上平台机构和下平台机构组成,上平台机构主要由X轴方向旋转运动机构、Y轴方向旋转运动机构及Z轴方向旋转运动机构组成，其中实现X、Y方向旋转的机构并联组成具有2转动自由度并联机构并与Z轴旋转自由度机构串联在一起形成具有3转动自由度的混联式机构，其特征在于：上平台机构由手柄、Z方向旋转轴、六维力传感器、X方向旋转轴、X方向齿轮组、Y方向旋转轴、惰轮轴、X轴电机侧支撑架、端盖、光电开关片、光电开关、X轴电机支座、支撑架、上平台基板、X轴电机、Z方向齿轮组、Z轴传动杆、Y轴电机、Y轴电机支座、Y轴电机侧支撑架、Y方向齿轮组、角接触球轴承、Z轴支架、铰链轴、Z轴电机、螺栓、卡簧、铜套组成；

X轴方向旋转运动机构包括X方向旋转轴、X方向齿轮组、惰轮轴、X轴电机侧支撑架、端盖、光电开关片、光电开关、X轴电机支座、支撑架、X轴电机及螺栓、卡簧;Y轴方向旋转运动机构包括Y方向旋转轴、端盖、光电开关片、光电开关、Y轴电机、Y轴电机支座、Y轴电机侧支撑架、Y方向齿轮组、角接触球轴承及螺栓、卡簧部件;Ｘ、Ｙ旋转机构均固定在上平台基板上并相互垂直布置，电机运行时，X、Y方向上互不干涉相互独立运动；

X轴方向旋转运动机构的具体布置位置为： X轴电机侧支撑架、X轴电机支座和支撑架分别通过螺栓固定在上平台基板上，X轴电机由X轴电机支座固定；X方向旋转轴两端通过角接触球轴承分别与X轴电机侧支撑架、支撑架采用过盈配合的方式装配,X轴电机通过X方向齿轮组带动X方向旋转轴，并且通过安装在X方向旋转轴上的铰链轴把X方向上的旋转运动传递给Z轴支架，Z轴支架与铰链轴之间采用间隙配合安装铜套，铜套与Z轴支架过盈配合，并在Ｚ轴支架两端用卡簧固定，对Z轴支架限位；

Y轴方向旋转运动机构各部件的具体布置位置为： Y轴电机侧支撑架、Y轴电机支座和支撑架分别通过螺栓固定在上平台基板上，Y轴电机由Y轴电机支座固定；Y方向旋转轴两端通过角接触球轴承分别与Y轴电机侧支撑架、支撑架采用过盈配合的方式装配；同时Y方向旋转轴通过一个圆弧形凹槽与安装在Z轴支架上的传动杆连接，Y轴电机通过Y方向齿轮组带动Y方向旋转轴，并通过Y轴上的圆弧形凹槽带动传动杆将Y方向的转动传递给Z轴支架，同时X、Y旋转机构垂直布置，X旋转机构通过传动杆将沿凹槽圆周方向往返运动，Ｘ、Ｙ方向上运动独立互不干涉；

Z轴方向旋转运动机构包括手柄、Z方向旋转轴、六维力传感器、Z方向齿轮组、Z轴传动杆、Z轴支架、Z轴电机、螺栓， Z轴支架加工为上下两部分， Z轴电机、Z方向齿轮组、Z轴传动杆固定连接在Z轴支架上，通过螺栓将Z轴支架上下两部分固定连接；手柄、六维力传感器均用螺栓固定在Z方向轴上,Z轴电机通过Z方向齿轮组带动Z方向旋转轴；

下平台机构由电机、曲柄、基座、基底板、端盖、连杆、运动底板、固定座、支架组成，且下平台呈现三角对称，基底板和运动底板均呈三角形，电机通过基座分别固定连接在基底板的边沿，电机的输出端均有曲柄，曲柄分别通过平行四边形的连杆、支架、固定座与位于基底板上方的运动底板三个角连接，通过螺钉将下平台机构的运动底板与上平台基板固定，从而实现下平台机构与上平台机构的连接。