专利名称：一种带有距离传感器的遥操作双边控制模拟装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种带有距离传感器的遥操作双边控制模拟装置，属于机器人技术领 域。
背景技术：
遥操作是通过通信网络远程控制操作臂进行作业的技术，主要应用于人类难以到 达，或者有毒的工作环境中，比如空间任务、深海作业、核处理、远程医疗等领域。自20世纪 80年代以来，美国、俄罗斯、德国、日本以及中国等纷纷开展了遥操作技术的相关研究。在针 对遥操作技术的研究中，很多学者都在努力提高遥操作系统的临场感，以便提高遥操作性 能，使操作者具有身临其境的感觉。临场感包括视觉临场感和力觉临场感两类。具有力觉临场感的遥操作技术为操作 者提供了良好的触觉接口，可以使操作者真实的感受到远程操作臂与目标的接触状态，极 大的提高了操作者对作业现场的掌握程度。具有力觉临场感的遥操作技术经过几十年的发 展，已经被逐渐地应用于人们难以靠近的高温、高压、强辐射、窒息等极限环境。在具有力觉 临场感的遥操作系统中，主端控制从端运动，同时从端将受到的接触力反馈给主端，形成了 主、从端之间相互控制的现象，这种控制方式称为双边控制。对于传统的双边控制系统，只有从端操作臂接触到远程作业环境时，作业环境才 会对从端操作臂产生接触力，并最终由主端操作臂将该力反馈给操作者。而遥操作系统中 一般存在双向时延，当操作者感受到从端的接触力并发出正确的操作指令，等该指令到达 从端操作臂时，从端操作臂可能已经与作业环境发生了严重碰撞。为了克服时延带来的这 些问题，可以将从端操作臂与目标之间的距离作为参考量，将其变换成主端操作臂的反馈 力，当从端操作臂远离目标时，反馈力很小，甚至为零；当从端操作臂靠近目标时，反馈力逐 渐增大；当从端操作臂接触到作业环境时，主端产生很大的反馈力。另外，对于复杂的遥操作任务，很难用一个操作臂完成作业任务，常常需要两个操 作臂进行协同作业。对于这种两臂协同作业的模式，可以采用结构、大小、重量等不同的两 个操作臂，其中一个操作臂作为主操作臂，另一个作为辅助操作臂；也可以采用两个完全相 同的操作臂，两臂之间没有主、次之分，相互协作完成等量的作业任务。现有的双边控制实验装置都直接反馈从端操作臂遇到的接触力，由于双边控制系 统的主、从端之间一般具有传输时延，因此操作者感受到的力反馈是滞后的，容易引起从端 操作臂与环境的严重碰撞。现有的双边控制实验装置一般都是由两个操作臂组成的，其中一个作为主端操作 臂，另一个作为从端操作臂，这种只有两个操作臂的双边控制系统无法验证双臂协调作业 的实验。
发明内容
本发明的目的是提出一种带有距离传感器的遥操作双边控制模拟装置，改变已有双边控制装置的结构，在从端操作臂上安装距离传感器，并采用双臂协调控制技术，克服现 有双边控制装置存在的不足，以用于双边控制理论的实验验证，可以作为高等院校和科研 院所的教学、科研器材。本发明提出的带有距离传感器的遥操作双边控制模拟装置，包括基座、四组转动 机构、第一主端操作臂、第二主端操作臂、第一从端操作臂、第二从端操作臂和两个距离传 感器；所述的四组转动机构中的两组通过电机支架固定在基座的一侧，四组转动机构中的 另两组通过电机支架固定在基座的另一侧，每组转动机构由编码器、力矩电机和连接件组 成，编码器与力矩电机相对固定，连接件的一端与力矩电机联动；第一主端操作臂和第二主 端操作臂分别固定在所述的基座一侧两组转动机构中的连接件的另一端，第一从端操作臂 和第二从端操作臂分别固定在所述的基座另一侧两组转动机构中的连接件的另一端；所述 的两个距离传感器分别固定在第一从端操作臂和第二从端操作臂上。
本发明提出的带有距离传感器的遥操作双边控制模拟装置，有两个优点首先本 发明的遥操作双边控制模拟装置中采用距离传感器后，可以实时检测从端操作臂与目标的 距离，以该距离的远近作为反馈力的依据，可以有效克服时延对双边控制系统带来的影响。 其次，本发明的遥操作双边控制模拟装置具有四个独立的单自由度操作臂，其中两个为主 端操作臂，另外两个为从端操作臂，每个主端操作臂控制对应的从端操作臂运动，可以进行 双臂协调双边控制实验。
图1为本发明提出的带有距离传感器的遥操作双边控制模拟装置的结构示意图。图1中，1是基座，2是电机支架，3是力矩电机，4是编码器，5是连接件，6是第一 主端操作臂，7是第二主端操作臂，8是第一从端操作臂，9是第二从端操作臂，10是距离传 感器。
具体实施例方式本发明提出的带有距离传感器的遥操作双边控制模拟装置，其结构如图所示，包 括基座1、四组转动机构、第一主端操作臂6、第二主端操作臂7、第一从端操作臂8、第二从 端操作臂9和两个距离传感器10。四组转动机构中的两组通过电机支架2固定在基座1的 一侧，四组转动机构中的另两组通过电机支架2固定在基座1的另一侧，每组转动机构由编 码器4、力矩电机3和连接件5组成，编码器4与力矩电机3相对固定，连接件5的一端与力 矩电机3联动。第一主端操作臂6和第二主端操作臂7分别固定在基座1一侧两组转动机 构中的连接件的另一端，第一从端操作臂和第二从端操作臂分别固定在基座1另一侧两组 转动机构中的连接件的另一端。两个距离传感器10分别固定在第一从端操作臂8和第二 从端操作臂9上。本发明提出的带有距离传感器的遥操作双边控制模拟装置的一个实施例中，所用 的力矩电机是由北京勇光高特微电机有限公司生产的70LY53力矩电机。编码器是由北京 勇光高特微电机有限公司生产的HXK-3808光电编码器。距离传感器是由Sharp公司生产 的2D120X距离传感器。本发明提出的带有距离传感器的遥操作双边控制模拟装置，其工作原理如下
(1)进行基于距离传感器的双边控制实验。此实验中只使用两个操作臂，选择任意一个主端操作臂和一个从端操作臂都可以 进行实验。实验时，操作者拉动主端操作臂运动，控制从端操作臂进行相应的运动，同时根 据从端操作臂上安装的距离传感器检测的距离信息，主端电机产生相应的阻力。(2)进行两操作者双臂协调双边控制实验。 此实验中不使用距离传感器。实验时，两个操作者分别拉动两个主端操作臂，驱动 相应从端操作臂运动。同时根据运动幅度的大小，主端电机产生相应的阻力。(3)进行单操作者双臂协调双边控制实验。此实验中不使用距离传感器，两个主端操作臂中任意选用其中的一个进行实验。 实验时，操作者拉动主端操作臂，驱动两个从端操作臂运动。同时，将两个从端操作臂运动 幅度的大小按照一定的比例合成为一个总的运动量，主端电机再根据这个总运动量产生相 应的阻力。
权利要求
一种带有距离传感器的遥操作双边控制模拟装置，其特征在于该装置包括基座、四组转动机构、第一主端操作臂、第二主端操作臂、第一从端操作臂、第二从端操作臂和两个距离传感器；所述的四组转动机构中的两组通过电机支架固定在基座的一侧，四组转动机构中的另两组通过电机支架固定在基座的另一侧，每组转动机构由编码器、力矩电机和连接件组成，编码器与力矩电机相对固定，连接件的一端与力矩电机联动；第一主端操作臂和第二主端操作臂分别固定在所述的基座一侧两组转动机构中的连接件的另一端，第一从端操作臂和第二从端操作臂分别固定在所述的基座另一侧两组转动机构中的连接件的另一端；所述的两个距离传感器分别固定在第一从端操作臂和第二从端操作臂上。
全文摘要
本发明涉及一种带有距离传感器的遥操作双边控制模拟装置，属于机器人技术领域。包括基座、四组转动机构、第一主端操作臂、第二主端操作臂、第一从端操作臂、第二从端操作臂和两个距离传感器。四组转动机构固定在基座上。第一主端操作臂和第二主端操作臂分别固定在基座一侧两组转动机构中的连接件上，第一从端操作臂和第二从端操作臂分别固定在基座另一侧两组转动机构中的连接件上。两个距离传感器分别固定在第一从端操作臂和第二从端操作臂上。本发明的模拟装置，有效克服了时延对双边控制系统带来的影响，可以进行双臂协调双边控制实验。
文档编号B25J11/00GK101863028SQ20101017677
公开日2010年10月20日 申请日期2010年5月14日 优先权日2010年5月14日
发明者刘华平, 孙富春, 李永明, 王裕基, 胡来红 申请人:清华大学