灵巧型触感交互装置的设计.docx
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灵巧型触感交互装置的设计
摘要
本文所设计的主从系统是由主操作手与五指灵巧手组成。
主操作手将操作者手指运动信息传递给五指灵巧手,控制五指灵巧手完成一定的目标任务,同时将五指灵巧手所受力反馈给操作者。
主操作手采用最基本的连杆机构作为骨架结构,超声制动器与涡旋弹簧实现力反馈的作用;五指灵巧手是以超声电机作为驱动单元,由弹性线作为传动装置设计了一种仿人灵巧手。
最后,本文以DSP2812作为处理器建立了主从系统的运动控制系统,包括主从系统硬件电路设计与软件编程两大方面。
硬件电路设计由DSP2812系统电路,超声电机正反转/调速电路,数据采集电路等组成;软件编程方面采用增量式数字PID的控制方法,实现了对主从系统的位置反馈控制。
关键词:
主操作手,五指灵巧手,触感交互装置
Abstract
Themaster-slavecontrolsystemproposedinthepaperiscomposedbymasterhandandfive-fingereddexteroushand.Themasterhandtransportsthemovementoftheoperatortothefive-fingereddexteroushandandcontrolsthefive-fingereddexteroushandtocompletethecertaintasks.Atthesametime,theforcefromthefive-fingeredhandisfeedbacktotheoperator.Thestructureofthemasterhandadoptsthelinksmechanismandtheforcefeedbackisachievedbytheultrasonicbrakesandvortexsprings.Thefive-fingeredhandisdrivenbyultrasonicmotorsandtransmittedbyelasticlines.
Finally,themaster-slavecontrolsystembasedonDSPisestablishedinthepaper,includingthemaster-slavecontrolsystemhardwarecircuitandsoftwareprogramming.ThehardwarecircuitsincludethemoduleofDSP2812system,directioncontrolmoduleofUSMs,velocitycontrolmoduleofUSMs,dataacquisitionmoduleandsoon.IncrementaldigitalPIDcontrolmethodisusedtorealizethelocationfeedbackcontrol.
KeyWords:
Masterhand;Five-fingeredhand;Hapticinterfacedevice
第一章引言
1.1灵巧手系统的发展概况
随着科技水平的不断进步和新兴的交叉学科不断涌现,如太空探索、核能开发、医疗器械等都对机器人技术提出了更高的要求,而传统的工业机器人末端夹持器有一些缺点,如灵活性差,感知能力低下,力的控制精度不高等。
近二十几年来,由于工程应用的迫切需要,多指灵巧手的研究工作得到了迅速的发展,并已逐渐成为一个专门的研究领域,涵盖从空间探索到医疗器械等领域中的一些重大课题。
由于多指灵巧手涉及机构学、材料科学、机器人学、计算机图形学、自动控制等学科,近年来很多国家都已成立了专门的多指灵巧手实验室或研究中心,以大力发展这一高新技术。
目前,国内该技术的研究相对薄弱。
随着我国载人航天事业的成功,太空探索的步伐也就大大加快了!
其中如何帮助宇航员太空舱外的探索变得十分迫切。
由于太空服内与太空舱的气压不等,宇航员在走出太空舱之前至少需要准备三个小时;在走出舱外时,宇航员会立即翻起筋斗,与太空舱相连的安全索会缠绕起来,这些都增加了不安全因数。
虽然在一般场合下,人手远胜于灵巧手,但穿着笨重太空服的宇航员手的技能与灵巧手相比,已没有优势可言。
如果灵巧手具备了五个手指,就能为宇航员提供一个有效的工具,宇航员就可以在舱内操纵舱外的灵巧手进行太空探索。
此外,国外在核能开发的恶劣环境下和微创手术的医疗器械中,也都开始应用灵巧手。
因此,无论是从理论上还是工程应用上看,大力加强多指灵巧手的研究,都显得格外迫切。
灵巧手技术的发展经历了4个阶段。
(1).早期阶段。
多指手最先是从假肢开始的。
1509年,人们为在战争中失去一只手的年轻战士Berlichingen制作了弹簧驱动的假手[1]。
这只假手在战斗中发挥了重要的作用,但是在生活中却很不方便。
在Berlichingen手之后人们又相继研究了许多假手,有些假手至今仍在使用。
Chilidress将这些手分为装饰型、被动型、身体驱动型和外部动力型四种,其中动力型手从1920年开始流行,从30年代开始得到广泛的应用。
(2).初期阶段。
Tomovic和Boni于1962年研制成功的Belgrade手最初是为前南斯拉夫的一位伤寒病患者而设计的,它被认为是世界上最早的灵巧手。
从20世纪70年代开始,国际上开始进行机器人多指灵巧手的系统化研究。
1974年日本研制成功的Okada手,可以完成将螺栓拧进螺母之类的操作,它是初期灵巧手的典型代表,如图1.1所示。
(3).中期阶段。
20世纪80年代以来,灵巧手进入了一个快速发展时期,一批著名的灵巧手相继问世。
如美国麻省理工学院和犹他大学1980年联合研制成功的Utah/MIT手(图1.2)、美国斯坦福大学研制的Stanford/JPL[2]手(又称Salisbury手)(图1.3)等,这些成果奠定了灵巧手的理论基石和技术基础。
(4).20世纪90年代以后,以德国和意大利为代表的欧洲和美国在灵巧手方面的研究非常活跃,典型代表是意大利研制的DIST手(图1.4)和UB手(图1.5)、德国宇航中心研制的两代DLR手(图1.6,1.7)以及美国宇航局研制的NASA手(图1.8)等。
利用相关领域的成果,这些灵巧手具有很高的集成化和智能化水平,标志着灵巧手的研究已经进入了一个成熟的发展阶段。
我国的灵巧手研究起步较晚,北京航空航天大学于80年代末开始灵巧手的研究与开发,其代表为BH系列灵巧手。
图1.9就是BH-4型灵巧手。
哈尔滨工业大学机器人研究所与德国宇航中心机器人与系统动力学研究所开展合作,双方基于DLRII共同研制开发了HIT/DLR机器人灵巧手,如图1.10所示[1]。
图1.1Okada手
图1.2Utah/MIT手
图1.3Stanford/JPL手
图1.4DIST手
图1.5UB手
图1.6DLR-1手
图1.7DLR-2手
图1.8NASA手
图1.9BH-4手
图1.10HIT/DLR手
这些灵巧手都采用了仿人手的设计,以便于将人手的动作准确地映射到灵巧手上,实现人手位姿的再现,在实际作业环境下完成操作者所希望的操作动作。
在灵巧手系统中,我们把以上用于实际作业的机械手称为从手,而人实际操作的,用于获取人手位姿信息的装置,称为触感交互装置。
1.2灵巧型触感装置的介绍
触感交互装置是一种与操作者交换信息的机器人。
一方面它将操作者的有关运动信息(一般是手部的)作为输入,另一方面将虚拟环境或远程控制中从机器人所受的力作用反馈给操作者。
一般我们认为灵巧型触感交互装置即为具有力感应的主操作手。
与仅有视觉反馈的系统相比,灵巧型触感交互装置可以指挥从机器人完成更为精确的工作任务,如定位、感知物体的质感等,并具有较高的效率。
灵巧型触感交互装置的两大主要功能是主操作手的运动位姿测量和力触觉反馈。
目前,它主要用于两个方面:
一、主从控制系统,如精密微操作、极端环境中的工作:
外太空、核反应堆等。
二、虚拟现实系统,如模拟外科手术、游戏以及各种模拟训练。
早期触感交互装置一般只应用于主从控制系统,1949年美国ANL实验室研制的纯机械结构的M1型主从式遥操作机[1]是最早的应用实例。
随着计算机的发展,智能化、虚拟现实及科学可视化促进了触感交互装置应用领域的拓展。
现在,越来越多的触感交互装置应用于虚拟现实领域。
由于人手上拥有最多、最丰富的触觉神经,因此目前所研究的触感交互装置大都基于手部结构。
此外,相对人身体其他部位,人手的结构更加复杂,运动更加灵活,这也使得触感交互装置成为机器人研究领域的难点之一。
近年来,各式各样的主操作手应运而生,从仅有位置检测的感应手套到兼具位置检测和力触觉反馈的交互装置。
主操作手从结构上可分为穿戴型和桌面型[3]。
穿戴型主操作手一般具有符合人手结构的支撑骨架,外形与人手相似,其自身重量需由人手负担,一般固定于手掌背部(极少数采用掌内固定),传感器需参照人手关节位置进行放置。
桌面型主操作手一般不需由人手负重,通常放置在桌面上或有独立支撑机构,传感器放置空间较大,结构上不受人手限制,但往往随着自由度的增加而变得庞大和复杂。
主操作手的力反馈机构可以分为两类:
一、主动式力反馈,即采用驱动器和传动机构,对操作者手部产生反作用力,从而达到力反馈的效果。
二、被动式力反馈,即采用阻尼器或弹性元件结合制动器、离合器等组成力反馈机构。
主动式力反馈具有控制灵活,力作用较大等特点,但也有诸如结构较复杂,尺寸较大等缺点。
被动式力反馈在控制灵活性上不如前者,但其具有结构简单,较安全等优点。
1.2.1穿戴型主操作手例说
(1)意大利PERCRO实验室开发了一种具有力反馈的主操作手,如图1.11所示。
图1.11PERCRO手
整个主操作手是穿戴式结构,由四个独立的背部骨架式结构组成,每个手指骨架有四个自由度,其中三个主动自由度,分别由三个伺服直流电机驱动,一个被动自由度,整体具有15个自由度。
主操作手与操作者每根指骨都有力接触点,最大施力为3N,因此在抓取工作时,该主操作手的力场还原性较真实。
传动方式采用单向腱传动,这就使得手指部分结构简单,重量较轻。
腱传动方式虽然可以降低电机到连杆的惯性引起的振动,但是也会产生电机转矩和关节转矩之间的耦合关系,而且腱传动会引起额外的摩擦力。
该主操作手采用基于金属应变计的内置力传感器进行力的测量,而关节角度由一种采用康铜+导电塑料混合技术的内置电位传感器测量。
此外,该操作手重量达到了1.3kg,操作者需承受整个主操作手的自身重量,在长时间操作时,操作者容易产生疲劳感。
(2)日本东京大学的Nakagawara,Kajimoto等人设计制作的一种碰撞式多指主操作手,使用迂回式关节的外骨架机构,结构紧凑,实现了操作者手指的较大工作空间,如图1.12所示。
图1.12碰撞式多指主操作手
该主操作手采用类似齿轮齿条机构,通过与关节角位移成比例的延伸连杆长度的办法,解决了主操作手手指弯曲时对操作者造成的干涉。
巧妙地采用反射式光电传感器和薄板式压力传感器,对操作者手指进行跟踪和压力测量。
在目标无接触运动过程中,操作者手指末端不与主操作手接触,这就使得操作者在运动过程中非常自由。
当目标接触物体并施加力作用时,主操作手将对操作者产生力反馈。
该操作手结构比较复杂,力反馈接触点集中于操作者手指末端。
由于主操作手单个手指具有的三个关节被关联起来,由一个电机驱动,因此整个主操作手只能跟踪人手的自然弯曲过程,且具有较高的耦合性。
1.2.2桌面型主操作手例说
(1)SensAble科技公司的PHANTOM系列是目前使用最多的触感交互装置,如图1.13所示。
它其实是一个具有良好反向驱动能力的机器人臂。
图1.13PHANTOM触感交互装置
PHANTOM作为一种高精度的触觉交互设备,可以提供非常大的工作空间和反馈力,以及6自由度的运动能力。
该装置只能提供类似一个手指的力反馈,缺少灵巧性,但它作为一个单指结构可以为多指触感交互装置提供设计思路。
(2)日本Keio大学的Ueda和Maeno研制了一种多指输入鼠标型主操作手,如图1.14所示。
图1.14多指输入鼠标型主操作手
该装置具有四个独立的手指结构,分别具有3个自由度,分别对应从手的四个关节(其中一个自由度对应从手两个关节)。
利用杠杆原理,将直流电机的驱动力矩转换为施加在操作者手指上的力作用。
结构简单、小巧,采用双向控制方法,实时地与从手进行位姿和力信息的交互。
操作者可以像操作鼠标一样对其进行操作,无需承受主手自身重量,而且具有结构可调单元,可适应不同操作者的手掌。
整体结构只采用了一种电阻式电位器作为角度传感器,而所受力反馈大小可由计算得出,省去了力传感器的使用,因此降低了结构复杂性。
第二章被动式力反馈主操作手设计
2.1主操作手设计任务
本设计设计了一种利用超声波电机驱动的各手指关节的主操作手。
首先,对机械系统进行总体设计,明确每个部件单元的设计方案;然后,运用Pro/E对每个部件单元进行详细设计;最后,运用虚拟样机技术(ADAMS软件)对机械系统进行仿真分析,检验并改进设计方案。
具体的工作流程如图2.1所示。
图2.1设计任务流程图
该设计特点如下:
(1).各关节采用超声波电机驱动。
(2).具有五个输入端,对应人的五根手指。
(3).每根手指具有3个自由度,每个自由度都配有力反馈输出。
2.2被动式力反馈主操作手机械结构设计
在主从系统中,被动式力反馈主操作手(主手)主要作用为采集人手手指状态信息,通过处理器处理后,控制执行机构(从手)完成一定的任务,并提供力反馈。
因此主手采集数据和力反馈的准确程度,直接影响到整个系统的控制精度。
在主手设计的过程中,考虑到总体性能及加工性能的要求,对主手提出以下设计原则:
1能够准确测量人手关节转角
2实时提供力反馈
3操作者佩戴过程中,与人手不发生干涉
4结构简单,具有良好的加工性能
根据以上设计原则,综合各种因素,本文利用连杆机构作为主手基本骨架结构,通过连杆机构与关节处角度传感器计算操作者指尖位姿,进而反解操作者各关节转角,制动器实现力反馈目的。
2.2.1主手总体结构
主手设计的基本目的为准确测量操作者手指各关节角度,同时反馈执行机构所受力的作用。
基于以上基本原则,本着结构简单,佩戴方便,加工性能良好等各种因素,本文所设计的主手采用连杆机构作为基本骨架机构,通过已知连杆机构与传感器所测量角度大小来计算主手指尖位姿,同时利用超声制动器与连杆的相互作用,实现力反馈的效果。
主操作手由五个手指组成,分别为大拇指、食指、中指、无名指和小拇指,手指固定在底座上面,底座与人手背面相连接,主手指尖的套筒与操作者指尖相连接。
当操作者做抓取动作时,主手跟随操作者运动。
主手总体结构图如图2.2所示。
图2.2五指主操作手结构图
2.2.2主手单手指结构设计
主操作手也是根据人手的模型进行设计的。
由于人手的结构很复杂,将其进行一定的简化。
食指、中指具有相同的运动学结构,而拇指的结构较为复杂,简化的结构不尽相同。
为了方便设计,在不影响操作效果的情况下,去掉拇指绕自身轴旋转的一个自由度,将所有手指简化成同一结构,均为4个关节、4个自由度。
这样,主操作手各手指的4个关节分别为远端指间关节DIP、近端指间关节PIP、掌指关节MPI和MPII(2个自由度)。
其中,DIP,PIP,MPI关节完成屈曲运动,MPII实现侧摆运动。
主手的结构如图2.3所示。
其中,底板一面固定于手指根部,另一面与第1连杆的一端通过第1转轴铰接形成掌指关节MPI;第1连杆的另一端与第2连杆的一端通过第2转轴铰接形成掌指关节MPII;第2连杆的另一端与第3连杆的一端通过第3转轴铰接形成近端指间关节PIP;第3连杆的另一端与环形指尖套的外侧面通过第4转轴铰接形成远端指间关节DIP。
各转动关节的转轴处分别设置有角位移传感器(电位计)。
工作时,指尖始终套在连杆末端的环形指套中。
人手做出相应的动作时,主操作手各个关节的转角可以通过电位计测得。
图2.3手指原理结构图
图2.4A向局部视图
图2.5B向局部视图
图2.4和图2.5是主操作手装置A向和B向的2个局部视图,第1转轴与底板固定连接,L形支架(第1连杆)可绕第1转轴自由转动,电位计1固定在L形支架上,整个连杆在手指左右摆动的引导下,通过电位计1可测得关节MPII左右摆动的角度。
L形支架与第2连杆的相对转动可以通过电位计2获得;第2连杆与第3连杆的相对转动通过电位计3获得;同样的,第3连杆与指尖套的相对转动角度由电位计4获得。
第2转轴和第3转轴的一端分别设有用于提供力反馈的超声电机。
超声电机具有双端输出轴,前连杆与超声电机转轴固定连接,后连杆与超声电机的壳体固定连接,电位计的D形孔与超声电机的转轴配合。
这样的主手结构可以实现角度测量和力反馈的双重功能:
角度测量机构由角度测量仪、转轴和各连杆组成,测量拇指、食指、中指、无名指和小指的关节弯曲角度;力反馈机构由超声电机、连杆和环形指尖套组成,为手指指尖提供力反馈。
每个关节具有一个自由度,四个关节对应四个自由度,分别为掌指关节MP的弯曲-伸展运动和内收外展运动,近端指间关节PIP和远端指间关节DIP的弯曲-伸展运动。
每个关节安装旋转位置传感器,进行角位移的测量。
关节PIP,MPI与超声制动器和涡旋弹簧共同作用,实现主手的力反馈。
建立主手机构模型,并分析可得:
图2.6主手单指结构简图
如图2.6机构简图所示,连杆OA可绕y轴转动,连杆AB、BC、CD构成手指机构,末端指套CD与人手指尖固结可绕关节轴C转动。
关节轴A、B处分别安装由超声电机和连杆组成的被动式力反馈单元,可实现末端连杆对人手指端的力反馈作用。
综述以上可得主手单手指机械结构图,如图2.7所示:
图2.7主手单手指机械结构图
2.3传感器的选用
主手的各转动关节的转轴处分别设置有角位移传感器(电位计),由于尺寸的限制,这里选用较为轻便的SV01A型电位计。
工作时,指尖始终套在连杆末端的环形指套中。
人手做出相应的动作时,主操作手各个关节的转角可以通过电位计测得。
图2.8SV01A型电位计实物图
如图2.8所示为SV01A型电位计实物图。
SV01A型旋转位置传感器为超薄型(高度为2.1mm),具有小而轻的特点,适合于安装在灵巧手的关节处,3个端子可提供引线。
该传感器的总电阻值为10k8,最大输出为5V,有效转角为33313b。
在其有效转角内电压与角度具有良好的线性关系,即在电压比率50%的位置到大约±160b的范围内,电压与角度呈线性变化,线性度如图2.9所示。
旋转角度大于或者小于160b时则超出其线性范围,不能反映电压与角度的关系,因此电位计的安装位置应保证其工作在线性范围内。
根据实际的安装情况规定,当输出电压为1.5V时,位置传感器的位置为0b,则实际的输出电压与角度的关系为:
角度=120×(电压-1.5)。
图2.9SV01A型输出线性保证范围
2.4主手指尖位姿计算
对主手结构简化,建立运动学方程,计算指尖位姿可得:
图2.10主手机构简图
如图2.10所示,连杆
构成了主手的基本机构。
在初始的设计中,连杆
不存在,然而经过核算得到,在人手运动的正常范围内,
角度总是大于180,这在实际情况是不允许的,结合先前设计经验,最终设计为图2.10所示的机构,该结构保证了
在合理的角度范围内。
根据连杆的长度与相对转角,进而计算得到指尖的位姿[5]。
(2-1)
(2-2)
(2-3)
根据人手指结构简图2.11,建立人手指运动方程,可得:
图2.11人手指结构简图
(2-4)
(2-5)
(2-6)
求解方程组:
机构的尺寸
为已知参数,机构铰接处的角位移
则可以用角度传感器测量,手指各段的长度可以使用统计值。
以
为变量解上述方程组得:
(2-7)
(2-8)
(2-9)
其中:
由上可得人手指指尖位姿[9]。
2.5主手力反馈计算
力反馈主操作手能够反馈执行机构所受到的力,传统主操作手被动式力反馈单元多为电磁粉末离合器或电流变制动器。
前者转矩容易控制,因为流经线圈的电流与转矩成比例关系,但其响应时间为几十毫秒,因此不适合高速应用场合。
后者的制动原理是利用电流变流体的流变特性控制转矩,即电流变流体的粘度与输入电压成反比高速变化关系,不过当操作者处于静止状态时,电流变制动器则不能提供扭矩[10]。
因此,这里选择了新型的超声制动器作为被动式力反馈单元,超声制动器具有响应快速、静音运行、不受电磁场的干扰,尺寸小等特点,结合连杆机构作为传动单元,很好地解决了传统机构存在的问题。
本文选用了超声制动器[11],与涡旋弹簧共同实现力反馈。
制动器与相应杆件的装配关系如图2.12所示。
连杆A与超声波电机定子固联,超声波电机转子与连杆B相连接。
制动器在主手工作过程中可分为两个状态:
(1)当制动器处于游离状态(非工作状态),制动器的定、转子分离,此时在手指运动的带动下,连杆A、B可以自由转动,指尖没有力的感知;
(2)当制动器处于锁紧(工作状态)状态,制动器定、转子接触,定转子之间的摩擦力阻碍了定子和转子的自由转动,也相应的阻碍A、B两连杆的相互转动。
理论上,制动器可以安装在A、B、C的任何位置,但由于超声制动器本身具有一定的重量,在佩戴过程中,该重力会施加到操作者的手指上,即便在没有力反馈的情况下,人手指同样感觉到力的存在,从而产生误操作。
为了避免该情况,应该将超声制动器安装在靠近底座而远离指尖的关节处,消除超声制动器重力所造成的误差。
A处靠近底座,远离指尖,而B、C处远离底座,靠近指尖,因此本文将一个制动器安装在A处。
为使整个操作手动作灵活可控,本文在B处也安装了一个制动器。
图2.12超声电机-连杆装配图
以超声电机作为力反馈执行器的原理是:
超声电机两相交流信号的相位差为零时,驱动电压与超声电机的静摩擦力矩有明确的对应关系。
转子在超声电机内弹簧的作用下,压在定子上,转子的转动是依靠转子和定子之间的摩擦力驱动的。
不同的驱动电压,对应着转子与定子不同的接触状态,相应地对应着不同的静摩擦力矩。
当相位差为零,驱动电压到达临界值时,定子会产生足够大的振幅,超声电机的定子与转子之间会出现驻波近场悬浮现象,即转子在声压的作用下,被悬于定子的正上方,悬浮距离在几微米到几十微米之间,此时定、转子之间没有摩擦力的存在,在外力的作用下可以实现相对的自由转动;如果驱动电压减小,定子振幅会减小,驻波声场强度也相应减弱,定/转子之间处于局部接触状态;当驱动电压为零时,转子在超声电机内弹簧的作用下与定子完全接触,定子与转子之间静摩擦力矩最大;当驱动电压处于临界值和零之间时,静摩擦力矩也处于零和最大值之间的某个确定的数值。
力反馈机构由超声电机、连杆和环形指尖套组成。
利用上述原理,当手指自然弯曲时,设置超声电机的驱动电压为临界值。
这时,与定子和转子固联的相邻的2个连杆,可在人手指运动的带动下相互转动,人的指尖不会感觉到任何力的存在。
当主操作手所引导的从手接触到物体,需要输出力时,改变驱动电压,就可以改变定子与转子之间产生静摩擦力矩。
此时,与定子和转子相固联的相邻的2个连杆,在人手指运动的带动下要实现相对转动,手指的运动必然要克服这个静摩擦力矩,从而使人手指尖感到相应的力的存在。
因此当超声电机的两相交流信号的相位差为零时,控制驱动电压,就可以使主操作手装置中的人手指
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