一种混联式力反馈手控器设计及运动学仿真

第２７卷第１期　计算机仿真　２０１０年１月　文章编号：１００６—９３４８（２０１０）０１—０１７４—０３　

一种混联式力反馈手控器设计及运动学仿真　

安宏雷，韦庆，韩大鹏　（国防科学技术大学机电工程与自动化学院，湖南长沙４１００７３）　摘要：遥操作机器人力反馈手控器是遥操作系统中非常关键的部分。使用少自由度并联机构设计的混联式手控器具有串联　机构和并联机构两者的优点，是手控器设计的热点方向。研制满足位置控制的大位移力反馈手控器时，平衡工作空间和机　构刚度指标非常重要。基于Ｄｅｌｔａ机构研制了６自由度混联式手控器，并在ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ软件平台上对手控器机构进行了仿真　实现。分析了手控器的运动学性能，在ｍａｔｌａｂ环境中运行手控器工作空间的仿真算法，结果显示设计的手控器适合进行大　位移力反馈的控制。　关键词：遥操作；手控器；运动学；仿真　中图分类号：ＴＰ２４　文献标识码：Ｂ　

Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ａ　Ｈｙｂｒｉｄ　Ｆｏｒｃｅ——Ｒｅｆｌｅｃｔｉｎｇ　Ｈａｎｄ　Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ　ａｎｄ　Ｋｉｎｅｍａｔｉｃ　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　

ＡＮ　Ｈｏｎｇ—ｌｅｉ，ＷＥＩ　Ｑｉｎｇ，ＨＡＮ　Ｄａ—ｐｅｎｇ　（Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｍｅｅｈａｔｒｏｎｉｃ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ａｎｄ　Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，Ｎａｔｉｏｎａｌ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｄｅｆｅｎｓｅ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，　Ｃｈａｎｇｓｈａ　Ｈｕｎａｎ　４１００７３，Ｃｈｉｎａ）　

ＡＢＳＴＲＡＣＴ：Ｔｈｅ　ｍａｎ—ｍａｃｈｉｎｅ　ｉｎｔｅｒｆａｃｅ，ｎａｍｅｌｙ　ｔｈｅ　ＳＯ　ｃａｌｌｅｄ　ｈａｎｄ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ，ｉｓ　ａ　ｋｅｙ　ｐａｒｔ　ｏｆ　ｔｅｌｅｏｐｒａｔｉｏｎ　ｓｙｓ—　ｔｅｎ．Ａ　ｈｙｂｒｉｄ　ｍｅｔｈｏｄ　ｕｓｉｎｇ　ｌｏｗ　ｄｅｇｒｅｅ　ｐａｒａｌｌｅｌ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ，ｗｈｉｃｈ　ｉｓ　ａ　ｈｏｔｓｐｏｔ　ｉｎ　ｈａｎｄ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ　ｄｅｓｉｇｎ，ｍａｙ　ｈａｖｅ　ａｄｖａｎｔａｇｅｓ　ｏｆ　ｂｏｔｈ　ｔｈｅ　ｓｅｒｉａｌ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ　ａｎｄ　ｐａｒａｌｌｅｌ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ．Ｉｔ　ｉｓ　ｖｅｒｙ　ｉｍｐｏｒｔａｎｔ　ｔｏ　ｂａｌａｎｃｅ　ｗｏｒｋｓｐａｃｅ　ａｎｄ　ｓｔｉｆｆ－　ｎｅｓｓ　ｗｈｅｎ　ｂｕｉｌｄｉｎｇ　ａ　ｌａｒｇｅ　ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ　ｆｏｒｃｅ—ｒｅｆｌｅｃｔｉｎｇ　ｈａｎｄ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ（ＦＲＨＣ）．Ａ　６一ＤＯＦ　ｈｙｂｒｉｄ　ｈａｎｄ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ｄｅｌｔａ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ　ｉｓ　ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ．Ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｈａｎｄ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ　ｉｓ　ｓｉｍｕｌａｔｅｄ　ｏｎ　ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ　ｐｌａｔｆｏｒｍ．Ｋｉｎｅｍａｔｉｃ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｈａｎｄ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ　ｉｓ　ａｎａｌｙｓｅｄ　ａｎｄ　ａｎ　ａｒｉｔｈｍｅｔｉｃ　ｏｆ　ｗｏｒｋｓｐａｃｅ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｉｓ　ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ　ｉｎ　Ｍａｔｌａｂ　ｅｎｖｉ－　ｒｏｎｍｅｎｔ．Ｔｈｅ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｒｅｓｕｌｔ　ｓｈｏｗｓ　ｔｈａｔ　ｔｈｉｓ　ｍｅｔｈｏｄ　ｉｓ　ｓｕｉｔｅｄ　ｆｏｒ　ａ　ｌａｒｇｅ　ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ　ｃｏｎｔｒｏ１．　ＫＥＹＷＯＲＤＳ：Ｔｅｌｅｏｐｅｒａｔｅ；Ｈａｎｄ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ；Ｋｉｎｅｍａｔｉｃ；Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　

１　引言　在航天、深海探索以及对人有害的工作环境中，遥操作　机器人有着广泛的应用。由于遥操作机器人将人作为整个　机器人系统的一部分，使人在非确定环境中做出决策的能力　和机械装置在恶劣环境下作业的优势结合起来，被认为目前　最有价值的机器人研究方向　Ｊ。遥操作机器人的人机接口，　即力反馈手控器完成采集本地操作员手臂位姿信息和实现　远端操作手传回的“反馈力”两个功能，其性能的好坏直接影　响到整个遥操作系统的执行性能及可靠性。力反馈手控器　的研制，是遥操作系统设计中关键的一环　ｊ。　现代力反馈手控器大致可分为两类：一类是有限位移力　反馈手控器，它的ＸＹＺ轴向运动范围小于正负７６ｍｍ，转动　角度范围低于正负４５度，通常应用于速率控制模式；另一类　收稿１３期：２００８—１０—０８修回日期：２００８～１０—２５　１７４　．．——　是大位移力反馈手控器，拥有大于正负７６ｒａｍ的轴向运动范　围——这个范围甚至可以达到人手可以最大伸展的正负　３５５ｍｍ，可以应用于位置控制模式，而控制距离更大的运动　时，也可以使用速率控制模式　。　现在虽然已有数以百计的手控器面世，但少有广泛应用　的通用式手控器出现。在遥操作机器人系统中，研制应用于　大范围位置控制，且有效平衡工作空间和刚度两个重要指标　的手控器具有重要意义。　

２机构设计　手控器大多使用连杆机构进行设计，其机构类型大致可　以分为两类：串联式和并联式。串联式手控器具有工作空间　大、控制简单的优点，但存在累计位置误差，刚度差，不利于　力反馈的实现；而并联式手控器精度高，刚度大，是实现力反　馈更好的平台，但由于其机构自由度耦合的本质，它的工作　空间较小且控制比较困难。两者具有明显的对偶性质，优缺　点明显　］。目前，越来越多的研究将少自由度并联机构应用　于手控器的设计，研制混联机构手控器，使其兼具串联和并　联机构的长处。国内比较有代表性的手控器，如哈尔滨工业　大学研制的双并联主手　和东南大学研制的ＨＣ０１型通用　型手控器　都是采用这种设计思路。　从运动学和控制学上，设计要求手控器的机构要实现手　控器平动和转动的解耦。现代手控器大都遵循了这一原则，　实践表明，只有遵循这一原则的机构才能有简化计算的可　能　Ｊ。所设计的通用型手控器将具有３个自由度的平动平　台与具有３自由度的转动平台相串联，构成基本的平动与转　动解耦的６自由度运动空间。　２．１移动平台的设计　如前所述，使用串联机构设计的移动平台将具有先天的　缺陷，如累积误差，刚度低，不宜实现有效的力反馈等。而现　代手控器在位置控制精度和力感知范围等方面提出了明确　要求　Ｊ。显然，这种设计已不适合手控器的研制。具有３个　平移自由度的并联机构在位置精度和机构刚度上有更好的　表现，且相比较６自由度的并联机构，它们的机构更简单，工　作空间更大，控制更容易　。所设计的手控器的３自由度移　动平台即使用ｄｅｌｔａ并联机构实现。　

图１　ｄｅｌｔａ机构　（左一偏置式；右一非偏置式）　

ｄｅｌｔａ机构最初于１９８８年由Ｃｌａｖｅｌ提出，是并联机构在　机器人应用中，研究的深度和实用化程度较高的三种机型之　

一　。

１９９５年Ｌ．Ｗ．Ｔａｓｉ改进了ｄｅｌｔａ机构，使其结构更加简　

单。它分为偏置式和非偏置式两种类型，如图１。这种ｄｅｌｔａ　机构具有３个空间移动自由度，各运动副均为转动副，工作　空间大，定位精度高，累积误差小，刚度高，驱动器可以安装　在机架上　。　

一般情况下，并联机构的运动学性质与串联机构呈现对　偶性质。并联机构的运动学反解相对容易，而正解则比较困　难。北京航空航天大学机械工程及自动化学院的毕树生、宗　光华利用析配消元法和几何图解法对偏置式ｄｅｌｔａ机构的位　置正反解进行了深入分析，得出了“偏置式ｄｅｌｔａ机构与非偏　置式ｄｅｌｔａ机构的位置正反解有很大差别：偏置式ｄｅｌｔａ机构　的反解较为容易，正解则极为复杂；但非偏置式ｄｅｌｔａ机构的　正反解都比较容易”的结论。　因此本文选择非偏置式ｄｅｌｔａ　

图２移动平台　机构为模型，研制手控器的３自由度移动平台，在ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ　仿真平台中建模如图２。　２．２转动平台的设计　３自由度转动平台的设计思路与３自由度移动平台不　同。考虑到控制的复杂度，使用３个自由度解耦的机构更适　合研制的需要。如图３，这种类似陀螺的机构３个自由度解　耦且空间上互相垂直。３个机械轴转动的角度和３个姿态角　为一一对应关系，计算非常简单。　

图３转动平台　与传统手控器不同的是，转动平台将操作把手设计在３　个转动轴的空问交汇点上。从手控器作为人机接口的角度，　手控器是与作为遥操作系统的一部分的人一同工作的，因此　操作手控器的直观度和舒适度非常重要。将操作把手设计　在３轴交汇点，使得操作员手部姿态的变化直接体现在３个　转动轴的转动角度上；而且转动平台反馈回的转矩也直接作　用在人手上，这样操作员手部感受到的力矩与反馈力矩为直　接对应关系，使得操作员感受直观，操作舒适。　

３运动学分析　设计的通用型６自由度手控器机构中，３自由度移动平　台和３自由度转动平台为串联关系，因此３个移动自由度和　３个转动自由度在机构上解耦。这样，可分别作３移动自由　度和３转动自由度的逆向运动学求解。　由于转动平台为３自由度解耦串联机构，且三个转轴空　问互相垂直。因此其运动学分析非常简单，本文中略去了这　

一部分，下面重点介绍３自由度移动平台的运动学分析。　３．１移动平台的逆向位置分析　

图４　ｄｅｌｔａ机构运动学模型　Ｍｌ　

非偏置式ｄｅｌｔａ机构由运动平台、基平台及连接两个平　台的３个分支组成，见图４。该机构的基平台和运动平台皆　为等边三角形，其外接圆的半径分别为ｒ　和ｒ２。各个分支均　由３个相互平行但不共面的转动副及１个平行四边形机构连　接而成。３个前臂长Ａ　Ｍ　（ｉ：ｌ，２，３）均为Ｌ，；平行四边形的　等效长度肘　Ａｊ＝（ｉ＝１，２，３　＝ｉ＋３）均为，Ｊ２。　参考坐标系Ｏ—ＸＹＺ的坐标原点设在固定平台的中心０　处，　轴沿ＯＡ　方向，ｙ轴沿平台平面的法线方向，ｚ轴方向由　右手坐标系确定。运动平台的中心为Ｐ，其坐标值为（　，Ｙ，　ｚ）　。机构的位置逆解可描述为：已知Ｐ点坐标（　，Ｙ，ｚ）　，求输　入转角（Ａ　肘　与基座平面之间的夹角）咖。，　：，　。　由于运动平台只有平移运动，故已知Ｐ点坐标后可以很　容易求得该平台的三个顶点坐标（　，　）　＝ｉ＋３；同　时基座的结构尺寸已知，基座的三个顶点坐标（　Ｙ　）　ｉ＝１，２，３也是易求的。这样，只要求的每一个　点的坐标　（　，Ｙ　，　），就可得出　的值。　对于机构的任一分支，可建立如下方程：　ｆ（　～ＸＡ　）‘＋（Ｙｍ　一ＹＡ　＋（ｚ　一ＺＡ　）‘＝ｍ　…　Ｌ（　州～　Ａ　＋（Ｙ删一ＹＡｊ）　＋（　ｍｆ—ＺＡｊ）　＝ｎ　式中，ｍ为杆Ａ　的长度，ｎ为虚拟连杆肘　Ａ　的长度。两个方　程有三个未知参数，无法求得每一个　的坐标。　为解决此问题，需进行坐标变换。如，在基座的３个顶点　分别建立支链坐标系Ａ　一Ｘ　Ｙ，Ｚ　，方法如下：使新坐标系原点　位于固定平台其中一个顶点处，　轴方向为由该顶点指向参　考坐标系原点，ｌ，轴方向不变，ｚ轴按右手坐标系进行旋转，　即如所示（图中只对第二个支链坐标系进行描述，其他边使　用相同的方式处理）。则可以得到第ｉ个支链坐标系下相应的　运动平台顶点坐标（ＸＡｉ，ＹＡｉ，　）　＝ｉ＋３。同时，基坐的第ｉ　个顶点即为第ｉ个支链坐标系的原点，坐标值为（　，），ｊ　，Ｚ　Ａ　）　＝（０，０，０）。　在第ｉ个支链坐标系中，基座顶点４　处的转动副的转动　方向与ｚ　方向重合，即平台运动时　点的移动轨迹在Ｘ　Ａ