袁佳潔，李笑

(廣東工業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院，廣東廣州510006)

具有臨場感技術(shù)的遙操作工程機器人在一些人類難以接近的場合，如地震、冰災(zāi)等一些自然災(zāi)害搜救現(xiàn)場，具有廣泛的應(yīng)用前景。臨場感技術(shù)以人為中心，通過各種傳感器將遠(yuǎn)地機器人與環(huán)境的交互信息(包括視覺、力覺、觸覺、聽覺、運動覺等)實時地反饋到本地操作者(人)處，生成和遠(yuǎn)地環(huán)境一致的虛擬環(huán)境，使操作者產(chǎn)生身臨其境的感受，從而實現(xiàn)對機器人帶感覺的控制，完成作業(yè)任務(wù)[1]。運動覺是臨場感的重要組成部分，具有運動覺提示的遙操作工程機器人能使操作者更逼真地沉浸入機器人環(huán)境當(dāng)中，更有效地控制和操作機器人。

國內(nèi)外學(xué)者對遙操作工程機器人的運動覺提示進(jìn)行了大量研究[2－4]。文獻(xiàn)[4]提出了一種遙操作工程機器人六自由度運動覺反饋方法，該方法采用6個液壓缸驅(qū)動平臺，通過位移傳感器檢測出缸的位移，構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了對工程機器人的六自由度運動覺反饋，但結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。而機器人在一般工程作業(yè)現(xiàn)場，很少有六自由度的復(fù)雜運動，多為俯仰、翻滾和升降的復(fù)合運動，三自由度運動覺反饋基本可以滿足要求。因此，作者設(shè)計了一種三自由度運動覺提示平臺，該平臺結(jié)構(gòu)簡單，實現(xiàn)了機器人的三自由度運動提示。

1 平臺系統(tǒng)設(shè)計

1.1 平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖1為遙操作工程機器人運動覺提示系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由工程機器人、運動覺提示平臺和計算機組成。操作者坐在平臺座椅上通過手柄操縱工程機器人作業(yè)，機器人運動信號通過安裝在機器人端的加速度傳感器檢測，并送入計算機。計算機輸出平臺控制信號，控制平臺跟隨工程機器人運動，對操作者進(jìn)行運動覺提示。

作者設(shè)計的運動覺提示平臺主要由底板、3個液壓缸、連桿機構(gòu)、支承板、座椅、手柄等組成，可使平臺產(chǎn)生俯仰 (± 17°)、翻滾 (± 17°)和升降(±100 mm)三自由度運動。

圖1 遙操作工程機器人運動覺提示系統(tǒng)

1.2 平臺液壓系統(tǒng)設(shè)計

平臺液壓系統(tǒng)的原理如圖2所示，油源壓力由溢流閥4 調(diào)定，由蓄能器8 穩(wěn)壓。改變各電液比例方向閥輸入電壓信號可分別控制各液壓缸的位移，液壓缸的位移通過內(nèi)置的位移傳感器檢測。

圖2 平臺液壓系統(tǒng)原理圖

1.3 平臺測控系統(tǒng)設(shè)計

平臺測控系統(tǒng)原理如圖3所示，主要參數(shù)如表1所示。

安裝在遠(yuǎn)端工程機器人的傳感器3個軸的加速度信號和3個液壓缸的位移信號經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡采集，完成A/D轉(zhuǎn)換，輸入到計算機進(jìn)行控制運算，得到控制信號，經(jīng)模擬量輸出卡完成D/A轉(zhuǎn)換，輸出給3個比例方向閥。

圖3 測控系統(tǒng)原理圖

表1 系統(tǒng)主要參數(shù)

2 三自由度運動覺提示方法

圖4為平臺三自由度運動覺提示流程圖。加速度傳感器檢測工程機器人運動的俯仰角θr、翻滾角φr和升降位移wr，輸出沿其敏感軸x、y 和z的加速度ax、ay和az。通過信號轉(zhuǎn)換運算得到機器人的俯仰角θ、翻滾角φ 和升降位移w 三自由度運動信息。通過運動學(xué)逆解，得到3個液壓缸的位移設(shè)定信號S1、S2和S3。位移傳感器將液壓缸位移信號S'1、S'2和S'3反饋給控制器，構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)。對平臺進(jìn)行運動學(xué)正解后，得到平臺運動的俯仰角θ'、翻滾角φ'和升降位移w'。將其分別與測得的機器人運動的俯仰角θ、翻滾角φ 和升降位移w 進(jìn)行比較，可分析平臺的跟隨特性。

圖4 運動覺提示流程圖

2.1 運動信號的檢測

加速度傳感器的敏感軸的坐標(biāo)系如圖5所示，定義x軸與水平面的夾角為俯仰角θ，y軸與水平面的夾角為翻滾角φ。

圖5 加速度傳感器敏感軸坐標(biāo)系

當(dāng)傳感器放置在水平面時，俯仰角θ為0，在其各軸方向上的加速度分別為:

式中:g為重力加速度。

當(dāng)加速度傳感器x軸與水平面產(chǎn)生俯仰角θ時，如圖6所示，在其各軸方向上的加速度分別為[5]:

由式(2)可得俯仰角為:

同理，可得到翻滾角為:

如圖7所示，當(dāng)加速度傳感器發(fā)生三自由度運動時，z軸會產(chǎn)生與豎直方向的一個坡角γ，此時z軸輸出加速度az為:

式中:aH為豎直方向的加速度，即升降加速度。

由式(5)得:

坡角為:

升降位移w可通過豎直方向的加速度aH兩次積分得到。

圖7 z 方向的加速度測量

2.2 運動學(xué)逆解

平臺支承板的坐標(biāo)系如圖8所示。

圖8 平臺支承板的坐標(biāo)系

由機器人運動學(xué)相關(guān)知識可以得知[6]:

式中:(Pix，Piy，Piz)為支撐板各支點的初始坐標(biāo);(P'ix，P'iy，P'iz)為支承板經(jīng)俯仰、翻滾和升降運動后的坐標(biāo);i=1，2，3。

由圖8所示，各支點初始坐標(biāo)為:

式中:R為過平臺三支點圓的半徑。

平臺連桿結(jié)構(gòu)示意圖如圖9所示。

圖9 平臺連桿結(jié)構(gòu)示意圖

由圖9所示的幾何關(guān)系得:

式中:(Qix，Qiy，Qiz)為底板各支點的坐標(biāo);Si為各缸的實時位移;Si0為各缸的初始位移。

底板各支點的坐標(biāo)為:

式中:H0為平臺初始化的高度。

由式(8)— (18)可求得各缸的實時位移Si與俯仰角θ、翻滾角φ 和升降位移w的關(guān)系。將解算出的各個缸位移設(shè)定信號S1、S2和S3與傳感器檢測到的位移S'1、S'2和S'3之間的偏差作為控制器輸入信號。

2.3 運動學(xué)正解

根據(jù)平臺結(jié)構(gòu)，得:

由式(12)、式(13)和式(19)可得到:

由平臺幾何關(guān)系，可知:

支承板經(jīng)俯仰、翻滾和升降三自由度運動后，點P1、P2和P3主要是z坐標(biāo)變化，x 和y坐標(biāo)變化很小，可以忽略不計，此時新的三支點坐標(biāo)組成的矩陣為:

式中:Pix、Piy為支承板各支點初始狀態(tài)的坐標(biāo)值。

如圖10所示，如果沿x軸和y軸方向，坡角分別為－θ'和－φ'的梯度向量分別為P 和Q，設(shè)坐標(biāo)系各坐標(biāo)軸的單位向量分別為i，j，k，則向量P 和Q分別為:

支承板的法向量R為:

由圖10可知:

這里:

由式(27)— (31)可求得:

圖10 變換后支承板示意圖

2.4 程序設(shè)計

圖11為主程序流程圖，實現(xiàn)的主要功能如下:數(shù)據(jù)采集、傾角和位移計算、運動學(xué)逆解、PID控制和運動學(xué)正解。

圖11 主程序流程圖

3 實驗研究

為了驗證所提出的運動覺提示方法的有效性，進(jìn)行了平臺運動跟隨性實驗研究。實驗時，使傳感器產(chǎn)生俯仰、翻滾和豎直3個自由度的運動。圖12、圖13 和圖14分別為平臺實測俯仰角、翻滾角和升降位移與加速度傳感器的俯仰角、翻滾角和升降的對比曲線?？梢钥闯?，平臺能較好地跟隨加速度傳感器的運動。

圖12 俯仰角對比曲線

圖13 翻滾角對比曲線

圖14 升降位移對比曲線

4 結(jié)論

以獲得遙操作工程機器人的臨場運動感覺為目的，設(shè)計了一種三自由度運動覺提示平臺。實驗證明了該平臺能實現(xiàn)對遠(yuǎn)端工程機器人運動信息的反饋。該平臺結(jié)構(gòu)簡單，運動覺提示方法可行，對設(shè)計工程應(yīng)用型遠(yuǎn)程操作機器人有參考作用。

【1】劉寒冰，趙丁選.臨場感遙操作機器人綜述[J].機器人技術(shù)與應(yīng)用，2004(1):42－45.

【2】YAMADA H，MUKOTA S，ZHAO D，et al.Construction Tele-robot System with Virtual Reality(Development of a bilateral construction robot)[C]//4th International Conference on Virtual Systems and Multimedia，Gifu，Japan，1998:152－157.

【3】YAMADA Hironao，MUTO Takayoshi.Development of a Hydraulic Tele-operated Construction Robot Using Virtual Reality(New Master-slave Control Method and an Evaluation ofa Visual Feedback System)[J].International Journal of Fluid Power，2003(2):35－42.

【4】趙丁選，黃海東，宮文賦，等.遙操作工程機器人系統(tǒng)臨場感技術(shù)研究:6自由度臨場運動感覺反饋技術(shù)的研究進(jìn)展[J].工程設(shè)計學(xué)報，2002(8):127－130.

【5】蔣瑞挺.基于加速度傳感器的傾角測量[J].電子制作，2010(10):37－39.

【6】蔡自興.機器人學(xué)[M].北京:清華大學(xué)出版社，2009.