【正文】 PC機的連接，并可以在此基礎上進行控制編程。(1) 串聯(lián)形式力/力矩反饋裝置PHANTOM(Personal Haptic Interface Mechanism)系列：由MIT人工智能實驗室開發(fā)、Sensable Devices 公司研制的 PHANTOM 系列串聯(lián)結構力反饋操作器和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、教學和科研等領域中有廣泛應用。當關節(jié)較多時，運算量很大，因此對微處理的性能要求很高。異構型主手設計時不受從手的限制，這樣設計出的主手優(yōu)缺點如下:①優(yōu)點: 異構型主手可以從人體工程學的角度出發(fā)進行結構設計，不針對某一從手，故通用性較強。（2）異構型主手異構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，不同的機構形式。由于主從手同構，工作時，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。主從手的關節(jié)數(shù)相同，且一一對應，這使得主從手的運動學模型一致，有利于控制和制造。主手的結構型式對信息測量的準確性及傳輸?shù)膶崟r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。同構型主手，是指主手是從手的復制品或僅是比例不同的相似物。微創(chuàng)手術過程中，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)療過程中放射性設備與藥物對醫(yī)生或病人的傷害，提高手術安全，縮短治療時間，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。隨著人類進軍太空計劃的實施，用于太空領域的遙控機器人系統(tǒng)得到了飛速發(fā)展。還被用來進行海洋生物、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，已被廣泛應用于工業(yè)、民用、軍事的各個領域。 美國宇航局制定了一個遙控機器人試驗臺試驗綱領(TTPP)，并付諸實施。以后陸續(xù)開發(fā)出了第一個利用雙向控制的電氣式遙操作器“ModelE1 。系統(tǒng)由兩個對稱的機械手構成，主機械手和人在安全的地方，從機械手放在需要完成任務的危險地帶。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、擠壓遠地環(huán)境目標物體的感覺，就好像在工作現(xiàn)場一樣。由此人們提出了臨場感的概念，并以臨場感技術作為交互技術的核心。一般的主從式遙操作機器人系統(tǒng)的控制系統(tǒng)如圖11：圖11主從式遙操作機器人系統(tǒng)作業(yè)者進行操作的裝置叫做主操作器，接受這一命令信息在實際作業(yè)現(xiàn)場進行作業(yè)的裝置叫從操作器。到目前為止，大多數(shù)遙操作機器人的主手都是針對某一特定從手設計，通用性差。操作者的手指還可以傳送一些附加命令，實現(xiàn)對遙操作機器人系統(tǒng)的有效干預和控制。通用型主手是一個能夠獨立使用的設備，它不依賴于用戶的機器，也不與用戶機器構成上下位機的關系。最初的力反饋主操作手，是在60年代末，由美國Ames實驗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的遙操作機器人系統(tǒng)己成為重要的研究方向之一。主從式遙操作機器人正是在這種需求下孕育發(fā)展起來的。遙操作機器人是指在人的操作下在人難以接近或對人體有害的環(huán)境中，完成比較復雜操作的一種遠距離操作系統(tǒng)。隨著科學技術的進一步發(fā)展，它的應用前景將更加廣闊。與此同時，美國GE公司針對水下作業(yè)，研制了外骨架裝置，具有7個自由度上的力反饋，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器人。因此，主手性能的好壞直接影響到整個遙操作機器人系統(tǒng)的執(zhí)行性能和可靠性。隨著計算機技術的發(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行遠距離的控制，實現(xiàn)遙現(xiàn)(Telepresence)或臨場感，提高操作性能。所謂臨場感(telepresence)技術是指隨著遙控作業(yè)的需要而提出的與交互技術密切相關的新概念，它將遠處遙控機械手與環(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。這種系統(tǒng)可以保證機械手的安全和可靠性，具有極大的靈活性和極高的效率。操作者對主機械手進行操作，從機械手跟隨主機械手的運動，從而完成作業(yè)任務。此后繼續(xù)開發(fā)了將遙操作器安裝在移動裝置上，賦予遙操作器以運動性的“ModelE3”利用力傳感器和直流電機的第一個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。日本進行了面向太空站口本艙的遙控機器人試驗臺的研究，在空間、海底、南極等地完成了遙控機器人考察。下面針對它的幾個最重要的應用領域水下，空間和醫(yī)療等進行簡單的介紹： （1）水下機器人:水下機器人一般分為遙操作式和自主式兩種。潛水艇自由移動或與水面的船連接。軍事上主要用遙控機器人進行飛機或船只的救援工作。早在1967年的勘測者任務中，就將一個簡單的遙控機械臂送到了月球表面，以采集月球表面浮土樣品。 （3）醫(yī)療機器人:醫(yī)療領域的遙控機器人可以為病人診斷、做手術、注射以及幫助殘疾人等。醫(yī)療外科機器人可以廣泛應用于各種外科手術，比如:神經(jīng)外科手術、腹腔內(nèi)窺鏡手術、整形外科手術、顯微外科手術、胃腸道檢測和其它手術中。異構型主手在結構、尺寸、自由度數(shù)目、自由度配置等方面同從手不同。因此，主手是遙操作機器人系統(tǒng)中的重要部分，關系到整個系統(tǒng)性能的好壞。主手的安裝方式也應與從手相同，從而使主從手運動方向一致。 同構型主手由于結構上的限制，致使它的優(yōu)缺點都十分突出。②缺點：同構型主手針對某一從手設計，故通用性較差。異構型主從手的配置比較靈活，主手和從手依靠計算機對主、從手運動學和動力學的正、逆解算在計算機內(nèi)部建立一個虛擬機械手作為二者聯(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。理想的操縱器應能實現(xiàn)機械結構上解耦, 從而簡化運動學和動力學解耦運算問題, 實現(xiàn)實時控制。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 公司為空間站設計制造了3DOF和6DOF PERForce兩種CyberImpact 手控制器，是一種小型的可反向驅動的機器人。 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 實驗室研究開發(fā)的 Iwata 力反饋操作手，用并聯(lián)機構對操作者的手指施加力，具有六個自由度，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坐標控制及力度控制也都使用光控，當操作者移動手柄時，發(fā)光管隨著手柄移動，接收電路則不斷地輸出手柄位置移動的信號給電腦。圖15為微軟力反饋搖桿。每個電機有一個驅動盤和一個滑輪，可以移動一個由兩個旋轉連桿組成的萬向接頭機構。它使用直接驅動裝置產(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。與其他力反饋機構不同，Delta力反饋裝置能夠在相當大的圓柱工作空間內(nèi)(半徑30cm，高30cm)得到很大的力(達25N)。 圖 19 力反饋裝置的組裝圖 圖 110 自由度的分布東南大學自90年代開始對力覺臨場感的理論和實驗研究，研制了異構式6自由度HC01型手控器，由兩組平行四邊形機構和一個二自由度球面副和一個單自由度手指關節(jié)組成。燕山大學研究的3支鏈6自由度力反饋裝置：設計了一種3支鏈6自由度并聯(lián)結構力/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、中科院自動化所研制了操作者可佩戴的數(shù)據(jù)手套，浙江大學研制了氣動外骨骼，具有重量輕，可穿戴性強，操作靈活等特點。 力反饋主操作手設計的理論基礎，主要包括人機工程學，人體觸覺，機器人學等相關知識。人機工程學是20世紀40年代后期跨越不同學科和領域，應用多種學科的原理、方法和數(shù)據(jù)發(fā)展起來的一門新興的邊緣學科。在口本稱為人間工學等。 國際人機工程學會(International Ergonomics Association，簡稱IEA)的定義為人機工程學是研究人在某種工作環(huán)境中的解剖學、生理學和心理學等方面的因素，研究人和機器及環(huán)境的相互作用，研究在工作、生活和休假時總樣統(tǒng)一考慮工作效率、健康、安全和舒適等問題的學科。根據(jù)人機工程學的任務，人機工程學的研究內(nèi)容可以概括為以下幾個方面： (1)人體因素的研究 (2)人機系統(tǒng)的總體設計研究 （3)工作場所和信息傳遞裝置設計研究 （4)作業(yè)改善的研究 （5)環(huán)境控制與安全保護 對人體本身的觸覺感知和控制系統(tǒng)的了解，是設計力反饋主操作手的一個必不可少的前提條件。人體心理物理學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、振動感覺、粘性感覺等。現(xiàn)有的相關信息都是通過已有的力操作裝置設計試驗得到的。通過大量試驗得到，無論環(huán)境和身體各個部分位置的不同，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行分解得到。下面討論人體運動和力的控制，主要包括運動控制范圍和力控制范圍。手臂所能達到的最快運動速度為3 7m/s，加速度可達到25g，如棒球運動員的擲球過程。Tenetal在1994年的試驗中得出。 手控器的主要技術性能與設計準則在機器人遙操作系統(tǒng)中，手控器作為人與機器人之間的一個重要的人機接口，是人們感知操作環(huán)境，并完成對遙控機器人進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)展遙控智能機器人的關鍵技術之一。手控器是主從系統(tǒng)中的主手,是人機界面,它一般工作于較好的甚至可能是機房條件下的工作環(huán)境,粉塵和污染較少,對運動副的保護要求可以相應地降低。（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,要求各運動副運動靈活,摩擦力要小,同時要求各運動副應當具備各向同性性,機構各構件間要互相協(xié)調(diào),不能有憋卡現(xiàn)象。　手控器的設計準則對目前國際上已經(jīng)投入使用的主從式遙控機器人的應用情況進行分析可知．手控器的操作性能是遙操作技術上的瓶頸。因此，簡化計算工作量對空間遙控機器人的實時控制就顯得重要。（5）應盡量采用直接驅動，縮短傳動鏈， 提高傳動精度改善頻率響應和力控制精度。本文以此方法為基礎，并加以改進，得到如圖21所示的力反饋操作器的設計流程。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動慣性，各元器件也有其響應時間，同時，通訊環(huán)節(jié)也存在著時延，從而主從機器人之間的運動傳遞以及力/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的感受，而只有在力覺臨場感的指導下才能完成各種復雜和精細的作業(yè)任務。若環(huán)境阻抗為，定義虛擬阻抗為一定時力覺臨場感系統(tǒng)主機械手的作用力與速度之比，在理想的力覺臨場感情況下，有 　　　　　（1）當系統(tǒng)滿足式上式時，我們稱臨場感系統(tǒng)是透明的。1993年 Lawarencel 總結了目前出現(xiàn)的控制結構提出了通用雙向力反射結構，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)定性是兩個相互抵觸的指標。其次確定控制結構，簡單說來，控制結構現(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1,再由Internet發(fā)送到位于機器人端的工控PC機2，工控PC機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，經(jīng)D/A轉換為模擬信號，驅動電機控制MOTOMAN機器人作相應的位移，從而實現(xiàn)了本地操作者通過手控器對遠地從機器人的運動控制。操作者再根據(jù)PC機1里的圖像信息做出決策，發(fā)出相應的控制指令。（2）所設計的機構提供了一個在x, y方向上轉動機構，可以保證了轉動之間的完全解耦。遙操作機器人手控器的結構如圖33所示。手部轉動機構可以使長方形框架繞Y軸方向轉動，使多面體繞X軸方向轉動。一方面，在遙控作業(yè)系統(tǒng)中，它根據(jù)指令直接驅動手控器的相關部分，從而引起遠地從機械手作相應的運動。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。由于現(xiàn)在國內(nèi)力矩電機都存在堵轉力矩小的缺點，在選擇電機的時候確實出現(xiàn)