專利名稱：一種帶有距離傳感器的遙操作雙邊控制模擬裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種帶有距離傳感器的遙操作雙邊控制模擬裝置，屬于機(jī)器人技術(shù)領(lǐng) 域。
背景技術(shù)：
遙操作是通過通信網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程控制操作臂進(jìn)行作業(yè)的技術(shù)，主要應(yīng)用于人類難以到 達(dá)，或者有毒的工作環(huán)境中，比如空間任務(wù)、深海作業(yè)、核處理、遠(yuǎn)程醫(yī)療等領(lǐng)域。自20世紀(jì) 80年代以來，美國、俄羅斯、德國、日本以及中國等紛紛開展了遙操作技術(shù)的相關(guān)研究。在針 對遙操作技術(shù)的研究中，很多學(xué)者都在努力提高遙操作系統(tǒng)的臨場感，以便提高遙操作性 能，使操作者具有身臨其境的感覺。臨場感包括視覺臨場感和力覺臨場感兩類。具有力覺臨場感的遙操作技術(shù)為操作 者提供了良好的觸覺接口，可以使操作者真實(shí)的感受到遠(yuǎn)程操作臂與目標(biāo)的接觸狀態(tài)，極 大的提高了操作者對作業(yè)現(xiàn)場的掌握程度。具有力覺臨場感的遙操作技術(shù)經(jīng)過幾十年的發(fā) 展，已經(jīng)被逐漸地應(yīng)用于人們難以靠近的高溫、高壓、強(qiáng)輻射、窒息等極限環(huán)境。在具有力覺 臨場感的遙操作系統(tǒng)中，主端控制從端運(yùn)動，同時從端將受到的接觸力反饋給主端，形成了 主、從端之間相互控制的現(xiàn)象，這種控制方式稱為雙邊控制。對于傳統(tǒng)的雙邊控制系統(tǒng)，只有從端操作臂接觸到遠(yuǎn)程作業(yè)環(huán)境時，作業(yè)環(huán)境才 會對從端操作臂產(chǎn)生接觸力，并最終由主端操作臂將該力反饋給操作者。而遙操作系統(tǒng)中 一般存在雙向時延，當(dāng)操作者感受到從端的接觸力并發(fā)出正確的操作指令，等該指令到達(dá) 從端操作臂時，從端操作臂可能已經(jīng)與作業(yè)環(huán)境發(fā)生了嚴(yán)重碰撞。為了克服時延帶來的這 些問題，可以將從端操作臂與目標(biāo)之間的距離作為參考量，將其變換成主端操作臂的反饋 力，當(dāng)從端操作臂遠(yuǎn)離目標(biāo)時，反饋力很小，甚至為零；當(dāng)從端操作臂靠近目標(biāo)時，反饋力逐 漸增大；當(dāng)從端操作臂接觸到作業(yè)環(huán)境時，主端產(chǎn)生很大的反饋力。另外，對于復(fù)雜的遙操作任務(wù)，很難用一個操作臂完成作業(yè)任務(wù)，常常需要兩個操 作臂進(jìn)行協(xié)同作業(yè)。對于這種兩臂協(xié)同作業(yè)的模式，可以采用結(jié)構(gòu)、大小、重量等不同的兩 個操作臂，其中一個操作臂作為主操作臂，另一個作為輔助操作臂；也可以采用兩個完全相 同的操作臂，兩臂之間沒有主、次之分，相互協(xié)作完成等量的作業(yè)任務(wù)?，F(xiàn)有的雙邊控制實(shí)驗(yàn)裝置都直接反饋從端操作臂遇到的接觸力，由于雙邊控制系 統(tǒng)的主、從端之間一般具有傳輸時延，因此操作者感受到的力反饋是滯后的，容易引起從端 操作臂與環(huán)境的嚴(yán)重碰撞?，F(xiàn)有的雙邊控制實(shí)驗(yàn)裝置一般都是由兩個操作臂組成的，其中一個作為主端操作 臂，另一個作為從端操作臂，這種只有兩個操作臂的雙邊控制系統(tǒng)無法驗(yàn)證雙臂協(xié)調(diào)作業(yè) 的實(shí)驗(yàn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種帶有距離傳感器的遙操作雙邊控制模擬裝置，改變已有雙邊控制裝置的結(jié)構(gòu)，在從端操作臂上安裝距離傳感器，并采用雙臂協(xié)調(diào)控制技術(shù)，克服現(xiàn) 有雙邊控制裝置存在的不足，以用于雙邊控制理論的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，可以作為高等院校和科研 院所的教學(xué)、科研器材。本發(fā)明提出的帶有距離傳感器的遙操作雙邊控制模擬裝置，包括基座、四組轉(zhuǎn)動 機(jī)構(gòu)、第一主端操作臂、第二主端操作臂、第一從端操作臂、第二從端操作臂和兩個距離傳 感器；所述的四組轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)中的兩組通過電機(jī)支架固定在基座的一側(cè)，四組轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)中的 另兩組通過電機(jī)支架固定在基座的另一側(cè)，每組轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)由編碼器、力矩電機(jī)和連接件組 成，編碼器與力矩電機(jī)相對固定，連接件的一端與力矩電機(jī)聯(lián)動；第一主端操作臂和第二主 端操作臂分別固定在所述的基座一側(cè)兩組轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)中的連接件的另一端，第一從端操作臂 和第二從端操作臂分別固定在所述的基座另一側(cè)兩組轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)中的連接件的另一端；所述 的兩個距離傳感器分別固定在第一從端操作臂和第二從端操作臂上。
本發(fā)明提出的帶有距離傳感器的遙操作雙邊控制模擬裝置，有兩個優(yōu)點(diǎn)首先本 發(fā)明的遙操作雙邊控制模擬裝置中采用距離傳感器后，可以實(shí)時檢測從端操作臂與目標(biāo)的 距離，以該距離的遠(yuǎn)近作為反饋力的依據(jù)，可以有效克服時延對雙邊控制系統(tǒng)帶來的影響。 其次，本發(fā)明的遙操作雙邊控制模擬裝置具有四個獨(dú)立的單自由度操作臂，其中兩個為主 端操作臂，另外兩個為從端操作臂，每個主端操作臂控制對應(yīng)的從端操作臂運(yùn)動，可以進(jìn)行 雙臂協(xié)調(diào)雙邊控制實(shí)驗(yàn)。


圖1為本發(fā)明提出的帶有距離傳感器的遙操作雙邊控制模擬裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。圖1中，1是基座，2是電機(jī)支架，3是力矩電機(jī)，4是編碼器，5是連接件，6是第一 主端操作臂，7是第二主端操作臂，8是第一從端操作臂，9是第二從端操作臂，10是距離傳 感器。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明提出的帶有距離傳感器的遙操作雙邊控制模擬裝置，其結(jié)構(gòu)如圖所示，包 括基座1、四組轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)、第一主端操作臂6、第二主端操作臂7、第一從端操作臂8、第二從 端操作臂9和兩個距離傳感器10。四組轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)中的兩組通過電機(jī)支架2固定在基座1的 一側(cè)，四組轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)中的另兩組通過電機(jī)支架2固定在基座1的另一側(cè)，每組轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)由編 碼器4、力矩電機(jī)3和連接件5組成，編碼器4與力矩電機(jī)3相對固定，連接件5的一端與力 矩電機(jī)3聯(lián)動。第一主端操作臂6和第二主端操作臂7分別固定在基座1一側(cè)兩組轉(zhuǎn)動機(jī) 構(gòu)中的連接件的另一端，第一從端操作臂和第二從端操作臂分別固定在基座1另一側(cè)兩組 轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)中的連接件的另一端。兩個距離傳感器10分別固定在第一從端操作臂8和第二 從端操作臂9上。本發(fā)明提出的帶有距離傳感器的遙操作雙邊控制模擬裝置的一個實(shí)施例中，所用 的力矩電機(jī)是由北京勇光高特微電機(jī)有限公司生產(chǎn)的70LY53力矩電機(jī)。編碼器是由北京 勇光高特微電機(jī)有限公司生產(chǎn)的HXK-3808光電編碼器。距離傳感器是由Sharp公司生產(chǎn) 的2D120X距離傳感器。本發(fā)明提出的帶有距離傳感器的遙操作雙邊控制模擬裝置，其工作原理如下
(1)進(jìn)行基于距離傳感器的雙邊控制實(shí)驗(yàn)。此實(shí)驗(yàn)中只使用兩個操作臂，選擇任意一個主端操作臂和一個從端操作臂都可以 進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)時，操作者拉動主端操作臂運(yùn)動，控制從端操作臂進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)動，同時根 據(jù)從端操作臂上安裝的距離傳感器檢測的距離信息，主端電機(jī)產(chǎn)生相應(yīng)的阻力。(2)進(jìn)行兩操作者雙臂協(xié)調(diào)雙邊控制實(shí)驗(yàn)。 此實(shí)驗(yàn)中不使用距離傳感器。實(shí)驗(yàn)時，兩個操作者分別拉動兩個主端操作臂，驅(qū)動 相應(yīng)從端操作臂運(yùn)動。同時根據(jù)運(yùn)動幅度的大小，主端電機(jī)產(chǎn)生相應(yīng)的阻力。(3)進(jìn)行單操作者雙臂協(xié)調(diào)雙邊控制實(shí)驗(yàn)。此實(shí)驗(yàn)中不使用距離傳感器，兩個主端操作臂中任意選用其中的一個進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。 實(shí)驗(yàn)時，操作者拉動主端操作臂，驅(qū)動兩個從端操作臂運(yùn)動。同時，將兩個從端操作臂運(yùn)動 幅度的大小按照一定的比例合成為一個總的運(yùn)動量，主端電機(jī)再根據(jù)這個總運(yùn)動量產(chǎn)生相 應(yīng)的阻力。
權(quán)利要求
一種帶有距離傳感器的遙操作雙邊控制模擬裝置，其特征在于該裝置包括基座、四組轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)、第一主端操作臂、第二主端操作臂、第一從端操作臂、第二從端操作臂和兩個距離傳感器；所述的四組轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)中的兩組通過電機(jī)支架固定在基座的一側(cè)，四組轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)中的另兩組通過電機(jī)支架固定在基座的另一側(cè)，每組轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)由編碼器、力矩電機(jī)和連接件組成，編碼器與力矩電機(jī)相對固定，連接件的一端與力矩電機(jī)聯(lián)動；第一主端操作臂和第二主端操作臂分別固定在所述的基座一側(cè)兩組轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)中的連接件的另一端，第一從端操作臂和第二從端操作臂分別固定在所述的基座另一側(cè)兩組轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)中的連接件的另一端；所述的兩個距離傳感器分別固定在第一從端操作臂和第二從端操作臂上。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種帶有距離傳感器的遙操作雙邊控制模擬裝置，屬于機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域。包括基座、四組轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)、第一主端操作臂、第二主端操作臂、第一從端操作臂、第二從端操作臂和兩個距離傳感器。四組轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)固定在基座上。第一主端操作臂和第二主端操作臂分別固定在基座一側(cè)兩組轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)中的連接件上，第一從端操作臂和第二從端操作臂分別固定在基座另一側(cè)兩組轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)中的連接件上。兩個距離傳感器分別固定在第一從端操作臂和第二從端操作臂上。本發(fā)明的模擬裝置，有效克服了時延對雙邊控制系統(tǒng)帶來的影響，可以進(jìn)行雙臂協(xié)調(diào)雙邊控制實(shí)驗(yàn)。
文檔編號B25J11/00GK101863028SQ20101017677
公開日2010年10月20日 申請日期2010年5月14日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月14日
發(fā)明者劉華平, 孫富春, 李永明, 王裕基, 胡來紅 申請人:清華大學(xué)