【正文】 PC機(jī)的連接，并可以在此基礎(chǔ)上進(jìn)行控制編程。(1) 串聯(lián)形式力/力矩反饋裝置PHANTOM(Personal Haptic Interface Mechanism)系列：由MIT人工智能實(shí)驗(yàn)室開發(fā)、Sensable Devices 公司研制的 PHANTOM 系列串聯(lián)結(jié)構(gòu)力反饋操作器和Ghost軟件開發(fā)包，以靈巧舒適的操作和真實(shí)的力反饋效果，成為目前開發(fā)研制最成功的力反饋操作器之一，在醫(yī)療、教學(xué)和科研等領(lǐng)域中有廣泛應(yīng)用。當(dāng)關(guān)節(jié)較多時(shí)，運(yùn)算量很大，因此對(duì)微處理的性能要求很高。異構(gòu)型主手設(shè)計(jì)時(shí)不受從手的限制，這樣設(shè)計(jì)出的主手優(yōu)缺點(diǎn)如下:①優(yōu)點(diǎn): 異構(gòu)型主手可以從人體工程學(xué)的角度出發(fā)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，不針對(duì)某一從手，故通用性較強(qiáng)。（2）異構(gòu)型主手異構(gòu)型主手可以和從手具有不同的自由度數(shù)目、不同的自由度配置，不同的機(jī)構(gòu)形式。由于主從手同構(gòu)，工作時(shí)，主手的位姿即從手的位姿。主手的臂長要盡量短，這樣慣量小，操作靈活方便。主從手的關(guān)節(jié)數(shù)相同，且一一對(duì)應(yīng)，這使得主從手的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型一致，有利于控制和制造。主手的結(jié)構(gòu)型式對(duì)信息測(cè)量的準(zhǔn)確性及傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性、從手反作用力的保真度、操作者操作的方便性、工作效率的高低都有很大的影響。同構(gòu)型主手，是指主手是從手的復(fù)制品或僅是比例不同的相似物。微創(chuàng)手術(shù)過程中，醫(yī)生借助插入體內(nèi)的器械操作，很容易感到疲勞，借助主從式遙操作機(jī)器人可以將醫(yī)生從狹窄的空間中解放出來，減少醫(yī)療過程中放射性設(shè)備與藥物對(duì)醫(yī)生或病人的傷害，提高手術(shù)安全，縮短治療時(shí)間，降低醫(yī)療成本。俄羅斯空間研究所等單位聯(lián)合研制了火行者太空漫游車。隨著人類進(jìn)軍太空計(jì)劃的實(shí)施，用于太空領(lǐng)域的遙控機(jī)器人系統(tǒng)得到了飛速發(fā)展。還被用來進(jìn)行海洋生物、地質(zhì)方面的研究。舊式的遙操作通常使用載人潛水艇。遙操作經(jīng)過了50多年的發(fā)展，已被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、民用、軍事的各個(gè)領(lǐng)域。 美國宇航局制定了一個(gè)遙控機(jī)器人試驗(yàn)臺(tái)試驗(yàn)綱領(lǐng)(TTPP)，并付諸實(shí)施。以后陸續(xù)開發(fā)出了第一個(gè)利用雙向控制的電氣式遙操作器“ModelE1 。系統(tǒng)由兩個(gè)對(duì)稱的機(jī)械手構(gòu)成，主機(jī)械手和人在安全的地方，從機(jī)械手放在需要完成任務(wù)的危險(xiǎn)地帶。理想的力覺臨場感系統(tǒng)能使操作者產(chǎn)生直接觸摸、移動(dòng)、擠壓遠(yuǎn)地環(huán)境目標(biāo)物體的感覺，就好像在工作現(xiàn)場一樣。由此人們提出了臨場感的概念，并以臨場感技術(shù)作為交互技術(shù)的核心。一般的主從式遙操作機(jī)器人系統(tǒng)的控制系統(tǒng)如圖11：圖11主從式遙操作機(jī)器人系統(tǒng)作業(yè)者進(jìn)行操作的裝置叫做主操作器，接受這一命令信息在實(shí)際作業(yè)現(xiàn)場進(jìn)行作業(yè)的裝置叫從操作器。到目前為止，大多數(shù)遙操作機(jī)器人的主手都是針對(duì)某一特定從手設(shè)計(jì)，通用性差。操作者的手指還可以傳送一些附加命令，實(shí)現(xiàn)對(duì)遙操作機(jī)器人系統(tǒng)的有效干預(yù)和控制。通用型主手是一個(gè)能夠獨(dú)立使用的設(shè)備，它不依賴于用戶的機(jī)器，也不與用戶機(jī)器構(gòu)成上下位機(jī)的關(guān)系。最初的力反饋主操作手，是在60年代末，由美國Ames實(shí)驗(yàn)室研制的具有力反饋的外骨架裝置（Exoskeleton）。特別是近幾年來，基于Internet的遙操作機(jī)器人系統(tǒng)己成為重要的研究方向之一。主從式遙操作機(jī)器人正是在這種需求下孕育發(fā)展起來的。遙操作機(jī)器人是指在人的操作下在人難以接近或?qū)θ梭w有害的環(huán)境中，完成比較復(fù)雜操作的一種遠(yuǎn)距離操作系統(tǒng)。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，它的應(yīng)用前景將更加廣闊。與此同時(shí)，美國GE公司針對(duì)水下作業(yè)，研制了外骨架裝置，具有7個(gè)自由度上的力反饋，它被裝戴在操作者的手臂部位，使操作者在遙控作業(yè)中感受到與環(huán)境的接觸力。它提供關(guān)節(jié)空間數(shù)據(jù)和笛卡爾空間數(shù)據(jù)，提供多種通訊接口，適用于各種遙操作機(jī)器人。因此，主手性能的好壞直接影響到整個(gè)遙操作機(jī)器人系統(tǒng)的執(zhí)行性能和可靠性。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，主從手可以分別按照各自的功能和特殊要求來考慮，因此研制出了通用型主手。操作者利用傳感器獲得作業(yè)現(xiàn)場的各種信息，如視覺、力覺、觸覺、聽覺等，操作者得到某種反饋并用這些信息進(jìn)行遠(yuǎn)距離的控制，實(shí)現(xiàn)遙現(xiàn)(Telepresence)或臨場感，提高操作性能。所謂臨場感(telepresence)技術(shù)是指隨著遙控作業(yè)的需要而提出的與交互技術(shù)密切相關(guān)的新概念，它將遠(yuǎn)處遙控機(jī)械手與環(huán)境的信息〔包括視覺、力覺、觸覺等信息)反饋到本地操作者處，使操作者產(chǎn)生身臨其境的感覺，從而有效地完成遙控作業(yè)任務(wù)。這種系統(tǒng)可以保證機(jī)械手的安全和可靠性，具有極大的靈活性和極高的效率。操作者對(duì)主機(jī)械手進(jìn)行操作，從機(jī)械手跟隨主機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)，從而完成作業(yè)任務(wù)。此后繼續(xù)開發(fā)了將遙操作器安裝在移動(dòng)裝置上，賦予遙操作器以運(yùn)動(dòng)性的“ModelE3”利用力傳感器和直流電機(jī)的第一個(gè)位置一力控制方式的遙操作器式在1965年由美國“Brook heaven National Lab”開發(fā)的。日本進(jìn)行了面向太空站口本艙的遙控機(jī)器人試驗(yàn)臺(tái)的研究，在空間、海底、南極等地完成了遙控機(jī)器人考察。下面針對(duì)它的幾個(gè)最重要的應(yīng)用領(lǐng)域水下，空間和醫(yī)療等進(jìn)行簡單的介紹： （1）水下機(jī)器人:水下機(jī)器人一般分為遙操作式和自主式兩種。潛水艇自由移動(dòng)或與水面的船連接。軍事上主要用遙控機(jī)器人進(jìn)行飛機(jī)或船只的救援工作。早在1967年的勘測(cè)者任務(wù)中，就將一個(gè)簡單的遙控機(jī)械臂送到了月球表面，以采集月球表面浮土樣品。 （3）醫(yī)療機(jī)器人:醫(yī)療領(lǐng)域的遙控機(jī)器人可以為病人診斷、做手術(shù)、注射以及幫助殘疾人等。醫(yī)療外科機(jī)器人可以廣泛應(yīng)用于各種外科手術(shù)，比如:神經(jīng)外科手術(shù)、腹腔內(nèi)窺鏡手術(shù)、整形外科手術(shù)、顯微外科手術(shù)、胃腸道檢測(cè)和其它手術(shù)中。異構(gòu)型主手在結(jié)構(gòu)、尺寸、自由度數(shù)目、自由度配置等方面同從手不同。因此，主手是遙操作機(jī)器人系統(tǒng)中的重要部分，關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)性能的好壞。主手的安裝方式也應(yīng)與從手相同，從而使主從手運(yùn)動(dòng)方向一致。 同構(gòu)型主手由于結(jié)構(gòu)上的限制，致使它的優(yōu)缺點(diǎn)都十分突出。②缺點(diǎn)：同構(gòu)型主手針對(duì)某一從手設(shè)計(jì)，故通用性較差。異構(gòu)型主從手的配置比較靈活，主手和從手依靠計(jì)算機(jī)對(duì)主、從手運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的正、逆解算在計(jì)算機(jī)內(nèi)部建立一個(gè)虛擬機(jī)械手作為二者聯(lián)系的橋梁。由于主手操作空間不受從手限制，給操作者操作帶來方便。理想的操縱器應(yīng)能實(shí)現(xiàn)機(jī)械結(jié)構(gòu)上解耦, 從而簡化運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)解耦運(yùn)算問題, 實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制。根據(jù)工作空間和力反饋數(shù)目的不同分為PHANTOM Desktop、PHNATOM Premium和PHANTOM / 6DOF三類。Cybernet系統(tǒng)：PERForce Cybernet System 公司為空間站設(shè)計(jì)制造了3DOF和6DOF PERForce兩種CyberImpact 手控制器，是一種小型的可反向驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人。 圖 14 Excalibur力反饋操作器 圖15 Iwata力反饋操作手Iwata 力反饋操作手：Iwata 實(shí)驗(yàn)室研究開發(fā)的 Iwata 力反饋操作手，用并聯(lián)機(jī)構(gòu)對(duì)操作者的手指施加力，具有六個(gè)自由度，如圖15所示。 微軟力反饋搖桿Sidewinder Force Feedback Pro，這種搖桿是無接觸性光電控制，其X,Y坐標(biāo)控制及力度控制也都使用光控，當(dāng)操作者移動(dòng)手柄時(shí)，發(fā)光管隨著手柄移動(dòng)，接收電路則不斷地輸出手柄位置移動(dòng)的信號(hào)給電腦。圖15為微軟力反饋搖桿。每個(gè)電機(jī)有一個(gè)驅(qū)動(dòng)盤和一個(gè)滑輪，可以移動(dòng)一個(gè)由兩個(gè)旋轉(zhuǎn)連桿組成的萬向接頭機(jī)構(gòu)。它使用直接驅(qū)動(dòng)裝置產(chǎn)生手柄的反饋力，省掉了齒輪或皮帶等中間環(huán)節(jié)，因而沒有回沖力，幾乎沒有摩擦力。與其他力反饋機(jī)構(gòu)不同，Delta力反饋裝置能夠在相當(dāng)大的圓柱工作空間內(nèi)(半徑30cm，高30cm)得到很大的力(達(dá)25N)。 圖 19 力反饋裝置的組裝圖 圖 110 自由度的分布東南大學(xué)自90年代開始對(duì)力覺臨場感的理論和實(shí)驗(yàn)研究，研制了異構(gòu)式6自由度HC01型手控器，由兩組平行四邊形機(jī)構(gòu)和一個(gè)二自由度球面副和一個(gè)單自由度手指關(guān)節(jié)組成。燕山大學(xué)研究的3支鏈6自由度力反饋裝置：設(shè)計(jì)了一種3支鏈6自由度并聯(lián)結(jié)構(gòu)力/力矩反饋裝置，如圖111 所示。此外，在攜帶式操縱臂方面，北航研制了面向遙外科的7自由度BH－II型力反饋數(shù)據(jù)臂、中科院自動(dòng)化所研制了操作者可佩戴的數(shù)據(jù)手套，浙江大學(xué)研制了氣動(dòng)外骨骼，具有重量輕，可穿戴性強(qiáng)，操作靈活等特點(diǎn)。 力反饋主操作手設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)，主要包括人機(jī)工程學(xué)，人體觸覺，機(jī)器人學(xué)等相關(guān)知識(shí)。人機(jī)工程學(xué)是20世紀(jì)40年代后期跨越不同學(xué)科和領(lǐng)域，應(yīng)用多種學(xué)科的原理、方法和數(shù)據(jù)發(fā)展起來的一門新興的邊緣學(xué)科。在口本稱為人間工學(xué)等。 國際人機(jī)工程學(xué)會(huì)(International Ergonomics Association，簡稱IEA)的定義為人機(jī)工程學(xué)是研究人在某種工作環(huán)境中的解剖學(xué)、生理學(xué)和心理學(xué)等方面的因素，研究人和機(jī)器及環(huán)境的相互作用，研究在工作、生活和休假時(shí)總樣統(tǒng)一考慮工作效率、健康、安全和舒適等問題的學(xué)科。根據(jù)人機(jī)工程學(xué)的任務(wù)，人機(jī)工程學(xué)的研究內(nèi)容可以概括為以下幾個(gè)方面： (1)人體因素的研究 (2)人機(jī)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)研究 （3)工作場所和信息傳遞裝置設(shè)計(jì)研究 （4)作業(yè)改善的研究 （5)環(huán)境控制與安全保護(hù) 對(duì)人體本身的觸覺感知和控制系統(tǒng)的了解，是設(shè)計(jì)力反饋主操作手的一個(gè)必不可少的前提條件。人體心理物理學(xué)特性包括位置感覺分辨率、位置跟蹤分辨率、力感覺分辯率、力跟蹤分辯率、振動(dòng)感覺、粘性感覺等?，F(xiàn)有的相關(guān)信息都是通過已有的力操作裝置設(shè)計(jì)試驗(yàn)得到的。通過大量試驗(yàn)得到，無論環(huán)境和身體各個(gè)部分位置的不同，人體通常能感覺的力分辨率為7%左右，%左右。 粘性感覺:粘性是通過將作用在物體上的力進(jìn)行分解得到。下面討論人體運(yùn)動(dòng)和力的控制，主要包括運(yùn)動(dòng)控制范圍和力控制范圍。手臂所能達(dá)到的最快運(yùn)動(dòng)速度為3 7m/s，加速度可達(dá)到25g，如棒球運(yùn)動(dòng)員的擲球過程。Tenetal在1994年的試驗(yàn)中得出。 手控器的主要技術(shù)性能與設(shè)計(jì)準(zhǔn)則在機(jī)器人遙操作系統(tǒng)中，手控器作為人與機(jī)器人之間的一個(gè)重要的人機(jī)接口，是人們感知操作環(huán)境，并完成對(duì)遙控機(jī)器人進(jìn)行控制的重要的中間信息媒介。因此，開展手控器的研究工作，是發(fā)展遙控智能機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)之一。手控器是主從系統(tǒng)中的主手,是人機(jī)界面,它一般工作于較好的甚至可能是機(jī)房條件下的工作環(huán)境,粉塵和污染較少,對(duì)運(yùn)動(dòng)副的保護(hù)要求可以相應(yīng)地降低。（4）較低的工作速度。（6）手控器是力反饋的裝置,為了能讓操作者產(chǎn)生靈敏的力覺,要求各運(yùn)動(dòng)副運(yùn)動(dòng)靈活,摩擦力要小,同時(shí)要求各運(yùn)動(dòng)副應(yīng)當(dāng)具備各向同性性,機(jī)構(gòu)各構(gòu)件間要互相協(xié)調(diào),不能有憋卡現(xiàn)象?！∈挚仄鞯脑O(shè)計(jì)準(zhǔn)則對(duì)目前國際上已經(jīng)投入使用的主從式遙控機(jī)器人的應(yīng)用情況進(jìn)行分析可知．手控器的操作性能是遙操作技術(shù)上的瓶頸。因此，簡化計(jì)算工作量對(duì)空間遙控機(jī)器人的實(shí)時(shí)控制就顯得重要。（5）應(yīng)盡量采用直接驅(qū)動(dòng)，縮短傳動(dòng)鏈， 提高傳動(dòng)精度改善頻率響應(yīng)和力控制精度。本文以此方法為基礎(chǔ)，并加以改進(jìn)，得到如圖21所示的力反饋操作器的設(shè)計(jì)流程。在力覺臨場感理想狀態(tài)下，從手工作穩(wěn)定，從手的速度等于主手的速度，從手的受力等于環(huán)境對(duì)從手的作用力，即其中v,為從手速度，為主手速度，為人手受力，為從手受力。其二，各零部件都存在著運(yùn)動(dòng)慣性，各元器件也有其響應(yīng)時(shí)間，同時(shí)，通訊環(huán)節(jié)也存在著時(shí)延，從而主從機(jī)器人之間的運(yùn)動(dòng)傳遞以及力/觸覺反饋都不可能在瞬間完成。操作者僅僅靠視覺圖象信息己不能從中獲得真實(shí)的感受，而只有在力覺臨場感的指導(dǎo)下才能完成各種復(fù)雜和精細(xì)的作業(yè)任務(wù)。若環(huán)境阻抗為，定義虛擬阻抗為一定時(shí)力覺臨場感系統(tǒng)主機(jī)械手的作用力與速度之比，在理想的力覺臨場感情況下，有 　　　　?。?）當(dāng)系統(tǒng)滿足式上式時(shí)，我們稱臨場感系統(tǒng)是透明的。1993年 Lawarencel 總結(jié)了目前出現(xiàn)的控制結(jié)構(gòu)提出了通用雙向力反射結(jié)構(gòu)，據(jù)此分析了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和透明性，指出臨場感系統(tǒng)的透明性和魯棒穩(wěn)定性是兩個(gè)相互抵觸的指標(biāo)。其次確定控制結(jié)構(gòu)，簡單說來，控制結(jié)構(gòu)現(xiàn)在都是在位置位置型、力反饋位置型、力位置型三種(如圖32)上延伸出來的。其工作原理敘述如下:一方面,在操作者端，安裝于手控器上的位移傳感器，傳送給工控PC機(jī)1,再由Internet發(fā)送到位于機(jī)器人端的工控PC機(jī)2，工控PC機(jī)2根據(jù)這一位移信息，并根據(jù)一定的控制算法發(fā)出位置控制信號(hào)，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制MOTOMAN機(jī)器人作相應(yīng)的位移，從而實(shí)現(xiàn)了本地操作者通過手控器對(duì)遠(yuǎn)地從機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制。操作者再根據(jù)PC機(jī)1里的圖像信息做出決策，發(fā)出相應(yīng)的控制指令。（2）所設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)提供了一個(gè)在x, y方向上轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，可以保證了轉(zhuǎn)動(dòng)之間的完全解耦。遙操作機(jī)器人手控器的結(jié)構(gòu)如圖33所示。手部轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)可以使長方形框架繞Y軸方向轉(zhuǎn)動(dòng)，使多面體繞X軸方向轉(zhuǎn)動(dòng)。一方面，在遙控作業(yè)系統(tǒng)中，它根據(jù)指令直接驅(qū)動(dòng)手控器的相關(guān)部分，從而引起遠(yuǎn)地從機(jī)械手作相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)。即高精確度、高靈敏度和高可靠性。而力覺臨場感系統(tǒng)是一種特殊的雙向力、位置伺服系統(tǒng)，主從機(jī)械手一般要求工作在低速、平穩(wěn)的場合。這就需要我們要找到可以合適的電機(jī)。由于現(xiàn)在國內(nèi)力矩電機(jī)都存在堵轉(zhuǎn)力矩小的缺點(diǎn)，在選擇電機(jī)的時(shí)候確實(shí)出現(xiàn)