力反馈数据手套与遥操作机器人系统研究

遥操作机器人系统是在人们多年研究全自主式机器人并且经历了若干次失败之后提出的一种具有实用意义的机器人方案。本文作为国家863项目“远程操作机器人的智能控制技术及其手控器研究”和国家973项目“力觉触觉虚拟现实研究”的部分内容,主要介绍了基于力反馈数据手套、HC01手控器、MOTOMAN机器人、Internet网等设备构建的交互式遥操作机器人实验平台,并且在此基础上做了一些相关的研究工作。 首先,分析了国内外基于Internet遥操作机器人的研究现状和主要存在的问题,认识到影响遥操作机器人系统操作性能(稳定性和透明性)的主要原因是信号传输过程中存在时延,简单总结了目前解决时延的几种方法,通过比较提出解决通信大时延对遥操作机器人系统影响最好的方法是采用虚拟现实技术、临场感技术和交互技术等相结合,根据具体的任务让机器人系统工作在其最合适的工作模式。 数据手套是目前常用的人-机交互的手段之一,但其大多不具备力反馈功能。文中分析了现有很少的几种力反馈数据手套的现状,发现它们性能不尽理想,在此基础上研制了一种基于电流变液的力反馈数据手套。该手套以美国Immersion公司生产的具有18传感器的数据手套为基础,增加基于电流变液体的力反馈装置。电流变液由基础液(如油)和悬浮颗粒组成,颗粒的大小在1/10～1/100微米数量级,受电场的作用,其性能发生较大的变化,主要表现在液体的粘度随电场的变化作相应的快速变化,当电场足够强时变成固体。电流变液体在电场作用下产生电流变效应,其重要特征是使电流变液体的力学性能发生了特殊的变化,即在静态下具有抗剪能力,并且存在一个明显的屈服应力,这个抗剪切应力成为力反馈数据手套方案中力觉再现的力的来源。 接着,介绍了基于Internet遥操作机器人实验平台的三套方案。第一套为国家863项目的研究内容,以自行研制的HC01手控器作为主端设备,MOTOMAN-SV3X作为从端设备,基于Internet通讯构成主从式遥操作机器人控制系统。第二套为国家973项目的部分研究内容,利用其研究成果力反馈数据手套替代HC01手控器,位置的测量采用与数据手套配套的flock bird三维六自由度位置跟踪器。考虑到第二套方案中,没有臂部力觉反馈功能,并且位置跟踪器测量基于磁场易受干扰的影响,又提出一种综合方案——将力反馈数据手套和HC01手控器结合起来,力反馈数据手套测量手指部分的位置并产生力觉反馈,手控器测量手部空间位置并产生臂部的力觉反馈。 在成功构建遥操作机器人实验平台的基础上着重做了以下几个方面的研究:①通讯时延对系统稳定性和透明性的影响。②手部建模及其交互操作。数据手套的出现为在人机交互中充分发挥手在交互过程中的自然性、灵巧性和适应性创造了条件,使基于手势的交互技术的实现成为可能,文中以美国Immersion公司生产的CyberGlove作为手势输入