手控器的性能和评价方法

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1、第uu卷第w期机器人ΡΟΒΟΤ∂²¯quuo²qwusss年z月∏¯¼ousss文章编号}tssu2swwykussslsw2su{u2szΞ手控器的性能和评价方法宁礻韦k郑州工业高等专科学校机器人研究所wxssszl摘要}手控器是主从遥操作系统的关键设备o它不仅是从机械手进行实时运动控制的输入设备o而且是将从机械手与未知环境之间的相互作用力提供给操作者的力觉遥现装置o是人与机器人之间建立紧密动态耦合的重要接口q因此o其性能的好坏o直接影响遥操作系统的操作性能q近年来o在手控器研制方面的文章已发表不少o但很少涉及对手控器进行评价的方法

2、和量化指标q这种目标的模糊性必然造成某些设计上的盲目性q本文作者在总结多年来对手控器研制和试验工作经验的基础上o试图对这个问题进行比较深入的探讨o初步提出了一套评价方法和量化指标q关键词}遥控机器人~手控器~评价方法~评价指标中图分类号}×°uw文献标识码}1引言在机器人遥操作系统中o手控器作为人与机器人之间的一个重要的人机接口o是人们感知操作环境o并完成对遥控机器人进行控制的重要的中间信息媒介q一方面它可以向操作系统传送位置!姿态!速度和力等多种信息~同时可以接收控制系统发来的力Ù力矩等环境信息o以便为操作者提供力觉临场感~操作者的

3、手指还可以传达一些附加命令o实现对机器人系统的有效干预和控制q这种实时操作的形象性!直接性!连续性和力觉临场感o使操作者与机器人之间建立了一种紧密的动态耦合q与计算机键盘操作或用操纵杆操作形成鲜明的对比o使系统操作更简捷!更方便q手控器性能的好坏o将直接影响整个遥操作系统的执行性能!系统可靠性及其对各种作业的实用性q因此o开展手控器的研究工作o是发展遥控智能机器人的关键技术之一q到目前为止o介绍遥操作手控器研制的文章已发表不少o但深入探讨手控器评价方法和量化指标者甚少q这种理论上的不完善难免会导致某些设计上的盲目性q本文作者在总结多年

4、来对手控器研制和试验的基础上o试图对这个问题进行比较深入的探讨q2手控器的主要技术性能与设计准则2q1手控器设计的基本要求手控器作为主机械手o与从机械手k可根据操作用途选择各种机器人l组成遥操作系统的一个装置o主要有以下用途}一是用于恶劣环境下遥控操作o以保护操作者的血肉之躯免受其害o比如核工业领域!航天领域!海洋探索!地下开采!防暴!排雷及某些军工行业~二是用于被操作的工件需要保护的环境下o即要求被操作的工件或其环境与操作者避免接触或不被操作环境所污染o如生物医学领域~三是用于那些环境和操作者都没有特殊要求o但人的能力所不Ξ基金项目

5、}国家{yv计划航天领域支持项目k{yvpupwptptzlq收稿日期}t

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9、第uu卷第w期宁礻韦}手控器的性能和评价方法u{v能及的操作o如在医学领域o可以用手控器控制微型机器人进入人的器官完成某些手术q在石油工业领域o也可以控制小型专用机器人进入石油管道进行探伤和维修~四是用于改善人的操作性能o如动眼科手术o需要把手术刀与眼部的作用力放大到医生能明显感知的程度o同时把医生的手部运动适当缩小o以提高手术刀与眼部接触部位的相对运动精度o也可以用一个小型手控器控制一个大型机械手o把人的操作力放大o以灵活地完成对大型工件的遥

10、控锻压操作~五是作为人机接口o实现人与机器之间的一种和谐的动态耦合o给人造成一种沉浸感o如虚拟现实和遥现技术q就空间遥控智能机器人的应用来说o可用于由地面人员或舱内人员控制航天操作器k从机械手l对不载人的轨道飞行器进行维修~由地面有关领域的科学家对空间环境下的实验进行遥控操作o从而减少对宇航人员进行培训及维持载人宇航的巨额开支o并使太空实验揭开其神密的面纱~由轨道飞行器上的宇航员对不载人的登月探索或不载人的行星探索进行遥控~甚至还可由地面上的人员利用这种遥操作系统来控制飞行器的月球飞行或星际飞行q空间遥控智能机器人手控器的应用o可以说

11、是上述数种基本用途或全部用途的综合q对空间机器人的遥操作o是一种真正意义上的遥控q空间机器人手控器作为唯一的一个不可缺少的双工人机接口q因此o要求空间遥控机器人手控器应重点保证两个功能o一方面对异地机器人与环境的相互作用进行实时本地遥现o为操作者提供如临其境的力觉临场感o使之获得进行决策的重要依据~另一方面o可以对操作者手部的位置和姿态准确地进行测算o并实时地传递给异地从机器人操作机o使之再现操作者手部的相应动作o为实现人对机器人的直接干予提供手段q2q2手控器的设计准则对目前国际上已经投入使用的主从式遥控机器人的应用情况进行分析可知

12、o手控器的操作性能是遥操作技术上的瓶颈≈t q作为一个人机接口o手控器必须具有对从机械手与未知环境作用信息的高保真感知和把操作员手部运动准确地测量和传输给从机械手的基本功能q为了满足使用上的需要o手控器的设计应遵循以下几