摘要

　　機器人技術(shù)作為二十世紀最偉大的發(fā)明之一，被應用于多個(gè)領(lǐng)域，促進(jìn)了現代工業(yè)的高速發(fā)展。隨著(zhù)人類(lèi)探索與工作的環(huán)境越來(lái)越廣泛，在人類(lèi)無(wú)法進(jìn)入且環(huán)境危險、復雜場(chǎng)合，如太空空間探索、核工業(yè)作業(yè)、水下勘查、遠程醫療等領(lǐng)域，機器人很難根據 預設程序獨自完成任務(wù)。因此，針對以上問(wèn)題，對基于人機交互的力反饋型遙操作系統進(jìn)行研究具有重要意義。本文從遙操作以及力反饋兩方面出發(fā)，主要研究?jì)热莅�括�?/p>

　　首先，通過(guò)對遙操作系統所需設備的調研，根據具體實(shí)驗要求，選擇 Phantom Omni機器人作為主端設備，Reinovo 六軸機器人作為從端設備，以及 Bioforcen 六維力傳感器作為力采集設備。在此基礎上，通過(guò)以太網(wǎng)將各設備與計算機連接，利用 VC6.0 的 MFC功能實(shí)現設備間數據的互通，完成了力反饋型遙操作系統的實(shí)驗平臺搭建。 其次，對主端設備與從端設備進(jìn)行運動(dòng)學(xué)建模，得到主從端設備的連桿模型及 D-H參數，建立正運動(dòng)學(xué)方程，得出機械臂末端位姿矩陣與各關(guān)節角度的關(guān)系，并采用幾何 法與代數法推導出從端 Reinovo 設備的逆運動(dòng)學(xué)公式。 然后，根據主從端運動(dòng)學(xué)模型，使用 Matlab 工具箱對主從端設備進(jìn)行運動(dòng)空間模擬， 利用隨機點(diǎn)的方式求出工作空間圖，以此設計出關(guān)節空間映射與操作空間映射兩種映射方案，并進(jìn)行試驗分析，結合兩種方案的優(yōu)點(diǎn)設計了混合映射方案并進(jìn)行實(shí)驗分析。

　　最后，對六維力傳感器進(jìn)行標定以及解耦，消除了傳感器各通道間信號的耦合；提 出一種基于正態(tài)分布的滑動(dòng)平均濾波法，在滿(mǎn)足曲線(xiàn)平滑性的同時(shí)，解決了連續周期性極端噪聲及隨機極端噪聲對滑動(dòng)平均值的影響；提出測量從端機械臂末端執行器零點(diǎn)、重力的方案，對六維力傳感器的采樣值進(jìn)行了零點(diǎn)以及重力的補償，消除了傳感器在無(wú)負載時(shí)零點(diǎn)以及重力對測得數據的影響。

　　關(guān)鍵詞：遙操作系統，空間映射，力覺(jué)反饋，濾波，重力補償

abstract

　　As one of the greatest inventions in the 20th century, robot technology has been applied in many fields, which has promoted the rapid development of modern industry. With the development of human exploration and work environment, robots are difficult to complete tasks by themselves according to the preset procedures in the fields of human being unable to enter and environment is dangerous and complex, such as space exploration, nuclear industry operation, underwater exploration, telemedicine and other fields. Therefore, it is of great significance to study the force feedback teleoperation system based on human-computer interaction. This paper starts from two aspects: teleoperation and force feedback, and the main research contents include:

　　Firstly, according to the specific experimental requirements, phantom Omni robot is selected as the main equipment, reinovo six axis robot is used as slave device, and bioforcen six-dimensional force sensor is used as force acquisition equipment. On this basis, the equipment and computer are connected through Ethernet, and the MFC function of VC6.0 is used to realize the data exchange between devices, and the experimental platform of force feedback teleoperation system is completed. Secondly, the kinematics model of the main and secondary equipment is established, the connecting rod model and D-H parameters of the main and secondary equipment are obtained, the positive kinematics equation is established, the relationship between the position and attitude matrix of the robot arm and the joint angles is obtained. The inverse kinematics formula of the equipment from the end reinovo is derived by using the geometric method and algebra method. Then, according to the kinematics model of the master and slave end, the paper uses Matlab toolbox to simulate the movement space of the master-slave equipment, and uses the random point to find the workspace map. In this way, two mapping schemes are designed, which are joint space mapping and operation space mapping. The experimental analysis is carried out. The hybrid mapping scheme is designed and the experimental analysis is carried out combining the advantages of the two schemes.

　　Finally, the six dimensional force sensor is calibrated and decoupled, which eliminates the coupling of signals between the channels of the sensor; A sliding average filtering method based on normal distribution is proposed. The influence of continuous periodic extreme noise and random extreme noise on the sliding average is solved while satisfying the smoothness of curve; The paper proposes a scheme to measure zero point and gravity of actuator from the end of the end manipulator. The sampling value of the six dimensional force sensor is compensated by zero point and gravity, which eliminates the influence of zero point and gravity on the measured data when the sensor is not loaded.

　　Key words: teleoperation system, spatial mapping, force feedback, filtering, gravity compensation

　　目錄

　　第 1 章 緒論

　　1.1 課題研究背景及意義

　　機器人技術(shù)作為 20 世紀最偉大的發(fā)明之一，促進(jìn)了現代工業(yè)的快速發(fā)展，機器人技術(shù)是涉及機械學(xué)、控制學(xué)、計算機學(xué)、傳感器技術(shù)、微電子學(xué)、仿生學(xué)等多門(mén)學(xué)科的 高精尖綜合性技術(shù)[1].機器人可以持續不間斷的工作，且精度高，具有在惡劣環(huán)境中工作的能力，因此被廣泛應用于工業(yè)生產(chǎn)、醫療設備、娛樂(lè )設施、軍事、航天、水下等多個(gè)領(lǐng)域[2].雖然機器人技術(shù)已經(jīng)得到了快速的發(fā)展，在各行業(yè)大大提高了生產(chǎn)力，但在 一些人類(lèi)無(wú)法進(jìn)入現場(chǎng)且環(huán)境復雜的特殊場(chǎng)合，實(shí)現機器人自主完成工作十分困難，依然需要人機協(xié)同來(lái)完成任務(wù)。例如在太空作業(yè)中，需要宇航員完成在軌裝配、維修， 燃料加注等任務(wù)，在環(huán)境惡劣的太空中執行任務(wù)會(huì )對宇航員的安全造成極大風(fēng)險[3];在排爆任務(wù)中，排爆人員進(jìn)入極度危險的環(huán)境中排除破壞力極強的易爆物品，可能在拆除過(guò)程中觸發(fā)引爆機關(guān)，對排爆人員的生命財產(chǎn)造成巨大損失[4];在醫學(xué)手術(shù)中，手術(shù)創(chuàng )口越小，術(shù)后對病人的身體影響越小，恢復越快，在體內進(jìn)行的微創(chuàng )手術(shù)對精確度要求極高，由于醫生常常工作壓力過(guò)大，一些小的失誤可能會(huì )對患者造成額外損傷[5];在完成橋梁修筑、物體打撈等水下任務(wù)時(shí)，人無(wú)法長(cháng)時(shí)間在水下進(jìn)行作業(yè)[6].因此，面對人類(lèi)無(wú)法進(jìn)入的工作環(huán)境，利用人機交互模式的遙操作機器人技術(shù)成為解決此類(lèi)問(wèn)題的有效手段。

　　遙操作機器人能夠將人類(lèi)與機器人的特點(diǎn)相結合[7],充分發(fā)揮了人類(lèi)的經(jīng)驗、智慧與判斷力以及機器人精確、穩定、可在惡劣環(huán)境中作業(yè)的優(yōu)勢，使人類(lèi)能夠遠離惡劣環(huán) 境的同時(shí)對復雜危險的任務(wù)進(jìn)行處理。因此在上述的人類(lèi)無(wú)法進(jìn)入且工作環(huán)境復雜的場(chǎng)合，遙操作機器人得到了廣泛應用[8].如利用遙操作技術(shù)的空間機械臂完成太空探索 任務(wù)[9],利用遙操作排爆機器人進(jìn)入排爆現場(chǎng)對可疑物品進(jìn)行排除[10],利用水下機器人進(jìn)行海洋勘探、打撈以及船舶維護[11-13],利用遙操作機器人對核設施及核廢料進(jìn)行處 理[14],在醫療中也可利用遙操作機器人對患者進(jìn)行體內微創(chuàng )手術(shù)[15]、心臟搭橋手術(shù)[16],以及患者康復訓練[17]等治療手段。遙操作機器人在各領(lǐng)域發(fā)揮著(zhù)越來(lái)越大的作用。

　　在遙操作系統中，操作者通過(guò)操縱主端設備，再由主端設備控制從端設備來(lái)完成工作任務(wù)。典型的遙操作系統由操作者、本地主端機器人、計算機、通信通道、從端機器人與現場(chǎng)環(huán)境組成，其結構如圖 1.1 所示。根據結構的不同，遙操作系統的結構可分為主從機械臂關(guān)節數量、形式相同的主從同構遙操作系統[18]以及主從機械臂關(guān)節數量、形式不同的主從異構遙操作系統[19].操作者對主端機器人進(jìn)行操作，將機器人的關(guān)節角度、速度等信息通過(guò)通信通道傳遞給計算機，計算機對數據進(jìn)行計算并把指令通過(guò) 通訊通道發(fā)送給從端機器人，從端機器人根據指令在遠端工作環(huán)境中做出相應的動(dòng)作。

　　在力反饋型遙操作系統中，在從端機器人上安裝傳感器檢測數據，將從端機器人所處工作狀態(tài)以及受力大小等數據傳回計算機，再傳遞給主端機器人，使操作者可以感知 實(shí)際環(huán)境中的觸覺(jué)反饋[20],操作者根據力反饋調整自己，從而減少失誤。遙操作系統中也可以添加視覺(jué)和聽(tīng)覺(jué)傳感器[21],提升操作者與機器人間的人機交互性。

　　遙操作系統要求穩定性以及透明性[22].穩定性要求主從機器人間的控制在任何條件下都是穩定的，透明性要求從端設備可以準確地跟隨主端設備的指令，并使操作者可以真實(shí)地感受工作環(huán)境的受力，具有身臨其境的感覺(jué)。因此，提升遙操作系統的穩定性以及透明性，是研究工作的重點(diǎn)。

　　機器人技術(shù)是如今重要的研究方向之一，而遙操作機器人技術(shù)是在危險場(chǎng)合保護工作人員安全，并利用機器人執行任務(wù)的有效解決方法，將被越來(lái)越多的應用在海底探測、空間探索、搶險救災、醫療手術(shù)等領(lǐng)域。力反饋可以提高操作者的臨場(chǎng)感，降低操作失誤，提高工作效率。因此，對力反饋型遙操作系統的研究具有積極的意義。

　　1.2 遙操作機器人國內外研究現狀

　　1.2.1 遙操作機器人國外研究現狀

　　國外對于遙操作技術(shù)的研究和發(fā)展較早，1949 年，在美國阿貢國家實(shí)驗室（ArgonneNational Laboratory）誕生了世界第一臺主從式遙操作機器人 Model M1[23],被用于核工業(yè)中具有放射性核廢料的處理，如圖 1.2 所示。由于該機器人為純機械結構，傳動(dòng)復雜 不適合遠程作業(yè)，且跟蹤性也不理想，在機器人中未安裝傳感器，因此在實(shí)際應用中具有很大局限性[24].1954 年，Goertz 等人在 ANL 實(shí)驗室對該機器人進(jìn)行了改進(jìn)，利用伺服電機對機器人進(jìn)行控制，構成了機電式遙操作系統，改善了遠程控制的操作性[25].

　　隨著(zhù)上個(gè)世紀 60 年代計算機技術(shù)的出現及發(fā)展，在 1961 年 MIT 實(shí)驗室利用計算機將從端機器人連接實(shí)現了對從端機器人的遙操作[26],計算機大大提高了遙操作系統的速度。網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的普及，美國生產(chǎn)了 SCARA 遠程控制工業(yè)機器人[27],在工業(yè)生產(chǎn)中極大提高了生產(chǎn)力。80 年代隨著(zhù)美國對原子能領(lǐng)域的深入研究，為了處理放射性物 質(zhì)，1982 年世界首臺具備力覺(jué)反饋功能的遙操作機器人 M2 在美國中央研究實(shí)驗室問(wèn) 世[28],如圖 1.3 所示，使遙操作的臨場(chǎng)感進(jìn)一步提高。1985 年，法國 Vertut 團隊為遙操作系統引入了機器人視覺(jué)技術(shù)[29].在核工業(yè)方面，不僅美國研發(fā)了 M1、M2 型遙操作機器人，日本為了福島核電站的工人在清理瓦礫時(shí)免受核輻射的危害，日本日立集團研發(fā)了 ASTACO-SoRa 清潔機器人[30],如圖 1.4 所示。

　　在空間探索方面，美國研發(fā)的探測器 Surveyor 3 于 1967 年成功登陸月球[31],是人類(lèi)使用最早的空間遙操作機器人技術(shù)，該探測器采集了 75 磅月球表面的土壤樣本，是人類(lèi)首次利用空間機器人完成的遙操作任務(wù)。80 年代，加拿大的斯巴宇航公司研制出航天飛機遙控機械臂系統（SRMS,Space Shuttle Remote Manipulator System），如圖 1.5所示，并于 1981 年發(fā)射升空執行太空任務(wù)[32],在空間遙操作機器人實(shí)驗中具有重大意義。2001 年加拿大在此基礎上研發(fā)了空間站遙機械臂系統（SSRMS,Space StationRemote Manipulator System），如圖 1.6 所示。該系統體型更大，負載能力更強，并且自由度冗余，具備更靈活的空間操作性[33].德國宇航中心于 1986 年啟動(dòng) RoboterTechnology Experiment 計劃[34],并于 1993 年將 ROTEX 空間機器人在哥倫比亞航天飛 機上進(jìn)行了實(shí)驗，實(shí)現了人類(lèi)首次地面操作人員對太空艙內機器人的遙操控[35].該機器人裝配了力覺(jué)傳感器、紅外傳感器、攝像頭等多個(gè)傳感器，并采用虛擬現實(shí) 3D 預測仿真來(lái)解決延時(shí)問(wèn)題，提高了遙操作系統的臨場(chǎng)感[36].日本于 1997 年研制了 ETS-VII衛星，實(shí)現了人類(lèi)首次無(wú)人自主交會(huì )對接[37],可用于衛星的修正軌道以及燃料補充。 2004 年 12 月，德國研制的 ROKVISS 軌道機器人由俄羅斯"進(jìn)步號"發(fā)射升空，安裝在國際空間站俄羅斯艙外，如圖 1.7 所示，該機器人驗證了空間協(xié)作模塊以及地面遠程 控制等模塊，是目前最先進(jìn)的遙操作機器人[38].美國航空航天局（NASA）研發(fā)出航天機器人 Robonaut,并于 2011 年發(fā)射升空[39],如圖 1.8 所示。該遙操作系統利用 VR 技術(shù)以及觸覺(jué)反饋使操作者沉浸在 Robonaut 的工作環(huán)境之中[40].

　　在醫療方面，美國 Computer Motion 公司于 1994 年研制出世界上首臺醫療機器人輔助系統 AESOP-1000[41],可用機械臂代替醫生對內窺鏡進(jìn)行握持以及移動(dòng)，如圖 1.9所示，實(shí)現了醫生在不需要主手的情況下單獨完成某些腹腔鏡手術(shù)[42].1995 年，美國 NASA 與 美 國 微 靈 巧 系 統 公 司 合 作，研制 出 針 對 眼 部的手術(shù)機器人 系 統MicroDexterity[43],該系統首次實(shí)現了遙操作的控制方案完成手術(shù)，將醫生從手術(shù)臺解 放出來(lái)，醫生在手術(shù)控制臺通過(guò)主手控制從端機械手來(lái)完成手術(shù)。MicroDexterity 采用6 自由度的主從同構主從機械臂，并配備了力傳感器，提高了醫生操作的真實(shí)感，如圖1.10 所示。1996 年，美國 Computer Motion 公司推出第二代手術(shù)機器人系統 ZEUS,該機器人系統由一個(gè)手術(shù)操作臺、手術(shù)臺上安裝的三個(gè)具有 7 自由度機械臂以及對應的手術(shù)工具組成，如圖 1.11 所示，是首臺通用型臨床微創(chuàng )手術(shù)機器人系統[44].2000 年，美國 Intuitive Surgical 公司推出了達 ? 芬奇手術(shù)機器人系統（da Vinci Surgical System） [45],并于 2003 年合并了 Computer Motion 公司，吸收了 ZEUS 系統的技術(shù)，對 da Vinci手術(shù)機器人系統進(jìn)行了改進(jìn)，成為了目前最先進(jìn)的外科手術(shù)機器人系統，如圖 1.12 所示。da Vinci 手術(shù)機器人目前發(fā)展至第三代，配備了三維顯示系統，兩個(gè)主端操作手以及四個(gè)從端機械臂，從端機械臂中有三個(gè) 11 自由度的手術(shù)操作臂及一個(gè) 7 自由度的內窺鏡夾持臂，配合三維顯示設備提高了醫生操作的臨場(chǎng)感，但未實(shí)現力覺(jué)反饋[46].

　　1.2.2 遙操作機器人國內研究現狀

　　我國對遙操作機器人的研究起步于上世紀八十年代，國家分別于 1992 年和 1996年將臨場(chǎng)感遙操作機器人技術(shù)納入國家 863 計劃立項研究。清華大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、東南大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、中國科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所等單位于 1992 年開(kāi)始對臨場(chǎng)感遙操作機器人技術(shù)進(jìn)行研究并取得了豐富的成果。1997 年，東南大學(xué)研制出控制空間艙內機器人的 6 自由度力反饋控制器，如圖 1.13 所示，并于 2004 年與南京軍區防化研究所以及北京防化研究所合作，利用臨場(chǎng)感遙操作技術(shù)研制出小型核化探 測與應急處置遙操作機器人[47],如圖 1.14 所示，用于戰場(chǎng)或核生化等事故現場(chǎng)代替士 兵執行偵查、取樣等任務(wù)。中國科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所研發(fā)了多種用于軍事反恐、搶 險救災等領(lǐng)域的排爆機器人[48],如靈蜥-HW,如圖 1.15 所示。2012 年 6 月 27 日，中 國船舶科學(xué)研究中心研制的"蛟龍號"在馬里亞納海溝成功下潛 7062 米，創(chuàng )造了人類(lèi)作業(yè)型載人潛水器的最大下潛記錄，工作面積可覆蓋 99.8%的海域[49],如圖 1.16 所示。

　　"蛟龍號"可利用遙操作技術(shù)執行海洋地質(zhì)勘探、礦資源勘查、生物采樣、水資源采樣 等任務(wù)，對我國開(kāi)發(fā)利用深海資源有著(zhù)重要意義，也標志著(zhù)我國海底載人科學(xué)研究和資源勘探能力達到國際領(lǐng)先水平[50].

　　在空間探索方面，我國于 2007 年 10 月成功發(fā)射了嫦娥一號繞月衛星，并利用遙操作技術(shù)對月球表面三維圖像以及月壤成分進(jìn)行探測[51].2012 年 6 月，我國實(shí)現了天 宮一號空間站與神州九號飛船的人工操作對接[52].2013 年 12 月 2 日，中國發(fā)射了嫦 娥三號探測器，是中國首個(gè)月球軟著(zhù)陸的無(wú)人登月探測器，如圖 1.17 所示。當月 14 日，嫦娥三號探測器成功著(zhù)陸月球，15 日嫦娥三號著(zhù)陸器與巡視器分離，"玉兔號"月球車(chē) 成功登陸月球表面，并實(shí)現了與嫦娥二號的互拍，"玉兔號"如圖 1.18 所示。"玉兔號" 利用遙操作機械臂對月球土壤進(jìn)行勘測，實(shí)現了 38 萬(wàn)公里外機械臂毫米級控制[53],我國在太空探索方面已走在世界前列。

　　在醫療方面，2002 年，天津大學(xué)、南開(kāi)大學(xué)與天津總醫院合作自主研發(fā)了一套遙操作機器人輔助顯微外科手術(shù)系統 RAMS（Robotic Assistant Microsurgery System）[54],如圖 1.19 所示，左圖為主手，右圖為從手。該手術(shù)系統具有力反饋功能，醫生可操縱 RAMS 的主手來(lái)控制從端機械手來(lái)實(shí)現長(cháng)時(shí)間夾持細微血管、神經(jīng)束等功能，使手術(shù)質(zhì)量大大提高[55].2005 年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制出基于遙操作技術(shù)的輔助正骨機器人系統[56],如圖 1.20 所示。

　　2004 年天津大學(xué)、南開(kāi)大學(xué)與天津總醫院合作研發(fā)了另一套微創(chuàng )手術(shù)機器人系統"妙手"[57],如圖 1.21 所示，并于 2010 年改進(jìn)推出"妙手 A"微創(chuàng )手術(shù)機器人系統[58],如圖 1.22 所示。"妙手"系列系統與 ZEUS 系統、da Vinci 系統相似，由醫生通過(guò) 操控主手來(lái)控制從端機械臂進(jìn)行手術(shù)，也未實(shí)現力覺(jué)反饋功能。北京航空航天大學(xué)研發(fā)了神經(jīng)外科手術(shù)機器人[59],我國遙操作機器人技術(shù)在醫療領(lǐng)域的應用成果豐碩，不再一一列舉。

　　綜上所述，在搶險救災、水下勘探、空間探索以及醫療輔助等領(lǐng)域的遙操作機器人中，存在主端控制設備控制從端機械臂操作不簡(jiǎn)潔直觀(guān)、未實(shí)現力覺(jué)反饋、力傳感器信 號受干擾使主端設備出現極端力反饋進(jìn)而導致操作者誤操作等問(wèn)題。因此，本文針對 這些問(wèn)題，對力反饋型遙操作系統進(jìn)行研究。

　　1.3 論文研究目的及主要內容

　　為了增強遙操作系統的操作性，提高力反饋觸覺(jué)的準確性，使遙操作系統更具臨場(chǎng)感，從而降低操作員操作任務(wù)中的失誤，本文針對力反饋型遙操作系統進(jìn)行研究，主要內容包含以下幾點(diǎn)： （1）對主端設備、從端設備以及六維力傳感器進(jìn)行選型，并搭建力反饋型遙操作系統實(shí)驗平臺，為后續研究工作做準備。 （2）對主端設備以及從端設備進(jìn)行運動(dòng)學(xué)建模，建立 D-H 參數表，求解出主端設 備以及從端設備正運動(dòng)學(xué)公式，并推導出一種高效的從端機械臂逆運動(dòng)學(xué)各關(guān)節角度解算算法。 （3）在主從端設備運動(dòng)學(xué)基礎上進(jìn)行仿真建模，對多種映射方案進(jìn)行設計以及實(shí)驗，根據不同映射方案的優(yōu)點(diǎn)，推出一種混合映射方案。 （4）對從端機械臂末端的六維力傳感器進(jìn)行研究，消除六維力數據耦合、噪音、重力的影響，提高力反饋準確性。

　　1.4 論文結構安排

　　本文分為六章，每章內容如下：

　　第一章：緒論。本章對課題研究背景以意義進(jìn)行闡述，并說(shuō)明遙操作的原理、結構 組成，并對該課題國內外研究現狀、遙操作技術(shù)的典型成就進(jìn)行說(shuō)明。

　　第二章：力反饋型遙操作系統搭建。調研市場(chǎng)上的設備優(yōu)缺點(diǎn)，選擇合適的主從端 設備以及六維力傳感器來(lái)搭建實(shí)驗平臺，通過(guò) Reinovo 機械臂提供的機器人控制系統結合 VC6.0 中 MFC 功能實(shí)現設備間軟件的連通。

　　第三章：主從端機器人運動(dòng)學(xué)分析。對主從端設備建立連桿模型，用 D-H 法對主從端設備建立運動(dòng)學(xué)方程，用幾何法以及代數法對 Reinovo 機械臂進(jìn)行逆運動(dòng)學(xué)解算， 根據位姿矩陣求出各關(guān)節角度。

　　第四章：主從端空間映射方案設計及實(shí)驗。根據主從端運動(dòng)學(xué)模型建立仿真模型，運用 Matlab 求出設備工作空間，分別設計關(guān)節空間映射以及操作空間映射方案并進(jìn)行試驗，最后結合兩種映射方案的優(yōu)點(diǎn)提出混合映射方案，并實(shí)驗分析其優(yōu)缺點(diǎn)。

　　第五章：基于六維力傳感器的力反饋研究。對六維力傳感器進(jìn)行標定及解耦，消除各通道間耦合對傳感器讀數的影響，根據普通滑動(dòng)平均濾波法以及去除最大值最小值滑動(dòng)平均濾波法的優(yōu)缺點(diǎn)，提出一種基于正態(tài)分布的滑動(dòng)平均濾波法，最后對傳感器 讀數進(jìn)行零點(diǎn)和重力補償，消除零點(diǎn)以及末端執行器重力對傳感器讀數的影響。

　　第六章：結論與展望。本章對全文研究成果進(jìn)行總結，并對研究成果的不足進(jìn)行展 望。

　　第 2 章 力反饋型遙操作系統搭建

　　2.1 力反饋型遙操作系統設備選型

　　2.1.1 主端設備選型

　　2.1.2 從端設備選型

　　2.1.3 六維力傳感器設備選型

　　2.2 力反饋型遙操作系統硬件連接

　　2.3 力反饋型遙操作系統軟件設計

　　2.4 本章小結

　　第 3 章 主從端機器人運動(dòng)學(xué)分析

　　3.1 D-H 連桿模型建立

　　3.2 主手運動(dòng)學(xué)分析

　　3.3 從手運動(dòng)學(xué)分析

　　3.3.1 從手正運動(dòng)學(xué)分析

　　3.3.2 從手逆運動(dòng)學(xué)分析

　　3.4 本章小結

　　第 4 章 主從端空間映射方案設計及實(shí)驗

　　4.1 主從端機械臂工作空間分析

　　4.1.1 主端機械臂工作空間求取

　　4.1.2 從端機械臂工作空間求取

　　4.2 基于關(guān)節空間的映射方案

　　4.2.1 關(guān)節空間映射的算法設計

　　4.2.2 關(guān)節空間映射實(shí)驗測試

　　4.2.3 方案優(yōu)缺點(diǎn)分析

　　4.3 基于操作空間的映射方案

　　4.3.1 操作空間映射算法設計

　　4.3.2 操作空間映射實(shí)驗測試

　　4.3.3 方案優(yōu)缺點(diǎn)分析

　　4.4 混合空間映射方案

　　4.4.1 混合空間映射算法設計

　　4.4.2 混合空間映射實(shí)驗測試

　　4.4.3 方案優(yōu)缺點(diǎn)分析

　　4.5 本章小結

　　第 5 章 基于六維力傳感器的力反饋研究

　　5.1 六維力傳感器標定及解耦

　　5.2 六維力傳感器數據處理

　　5.2.1 濾波算法分析

　　5.2.2 基于正態(tài)分布的滑動(dòng)平均濾波法算法設計

　　5.2.3 基于正態(tài)分布的滑動(dòng)平均濾波法程序設計

　　5.2.4 實(shí)驗分析

　　5.3 傳感器末端重力及零點(diǎn)的消除

　　5.3.1 消除零點(diǎn)及重力的算法設計

　　5.3.2 零點(diǎn)及重力補償實(shí)驗

　　5.4 本章小結

　　第 6 章 結論與展望

　　6.1 結論

　　力反饋型遙操作系統是一種基于人機交互的機器人系統，具有廣闊的發(fā)展前景。

　　本文在大量閱讀了國內外文獻，對課題相關(guān)內容充分研究后，以元創(chuàng )興機器人控制系 統為基礎搭建了力反饋型遙操作系統的實(shí)驗平臺，并對主從端設備進(jìn)行了運動(dòng)學(xué)求解，以此對主從端機械臂的應設方案進(jìn)行設計，提出了一種混合映射方案，最后對六維力傳感器進(jìn)行分析，采用解耦、濾波、重力補償等方法提高了傳感器數據的穩定性與準確性。本文主要工作及成果總結為以下幾個(gè)方面：

　　（1）通過(guò)對遙操作系統的設計，選取 Phantom Omni 操作手作為主端設備，Reinovo六軸機器人作為從端設備，以及 Bioforcen 六維力傳感器作為力采集設備。并在 Reinovo六軸機器人控制系統的基礎上，運用 VC6.0 中的 MFC 功能引入主端設備以及傳感器的程序及功能，實(shí)現了對各設備數據的讀取以及設備間數據的交換，完成了力反饋型遙操作系統軟硬件實(shí)驗平臺的搭建。 （2）根據主端設備以及從端設備的幾何參數，分別建立了主從端設備的連桿模型，并用 Craig 的 D-H 法對主從端設備建立了運動(dòng)學(xué)方程，推出一種幾何法以及代數法對 從端設備逆運動(dòng)學(xué)進(jìn)行了解算，求出各關(guān)節的角度，降低了運算量，提高了運算效率。

　　（3）在運動(dòng)學(xué)基礎上建立了主從端設備的仿真模型，并利用 Matlab 工具箱求出了主從端設備的工作空間圖，并基于主從端設備的工作空間分別對關(guān)節空間映射方案和操作空間映射方案進(jìn)行了設計以及實(shí)驗，最后結合兩種映射方案的優(yōu)點(diǎn)設計了一種混合映射方案，實(shí)驗結果表明混合映射方案可以充分利用從端設備的工作空間并且可以保證映射的高效與準確性。

　　（4）為了提高傳感器數據的穩定性與準確性，對傳感器進(jìn)行了標定實(shí)驗以及解耦運算，消除了傳感器各通道間電壓信號耦合的影響。提出了一種基于正態(tài)分布的滑動(dòng)平均濾波法，實(shí)驗結果表明，基于正態(tài)分布的滑動(dòng)平均濾波法解決了普通滑動(dòng)平均濾波法受隨機極端噪聲影響嚴重以及去除最大值最小值滑動(dòng)平均濾波法在連續周期性噪 聲處平滑度低的缺點(diǎn)，濾波曲線(xiàn)更加平滑。最后推出測量六維力傳感器零點(diǎn)以及末端執行器重力的公式，實(shí)驗結果表明，對六維力傳感器的采樣值進(jìn)行零點(diǎn)以及重力補償，可以消除零點(diǎn)以及重力對傳感器測得數據的影響，使力反饋更加接近真實(shí)環(huán)境受力。

　　6.2 展望

　　本文對力反饋型遙操作系統進(jìn)行了較為系統的研究，但依然有很多不足，在許多方面還可以進(jìn)一步研究完善：

　　（1）由于本實(shí)驗將機械臂轉動(dòng)速度設置較低，未對主從端機械臂進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析， 忽略了從端機器人手臂移動(dòng)速度、加速度以及慣性對六維力傳感器檢測數據的影響，在實(shí)際工作環(huán)境中，機械臂轉動(dòng)速度較大時(shí)，對慣性力進(jìn)行補償可以提高力反饋的準確性。

　　（2）加入機器人視覺(jué)系統。本文實(shí)驗雖然有力反饋，但從端機器人手臂部位碰觸 到障礙物時(shí)，操作者無(wú)法感知。通過(guò)兩個(gè)深感相機掃描周?chē)�環(huán)境，檢測機器人手臂位置以及工作空間內障礙物的坐標，設計一套碰撞檢測算法，當相機檢測到機器人將要在 某一方向接觸障礙物時(shí)發(fā)出預警信號，主端操作手在相應的方向產(chǎn)生制動(dòng)力，實(shí)現避 障功能。

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致謝

　　轉眼間研究生三年的學(xué)習生涯即將結束，我的心情久久不能平靜，回想三年以來(lái)，從開(kāi)始入學(xué)到完成論文，期間有數不盡的師長(cháng)、同學(xué)、朋友在學(xué)習、生活中給予我幫助，謹在此表達我由衷的感謝和深深的敬意。

　　首先，我要感謝我的導師張禹教授。張禹老師嚴謹的治學(xué)態(tài)度、踏實(shí)的工作作風(fēng)以 及無(wú)私的人格魅力深深的影響著(zhù)我，激勵著(zhù)我，使我受益終生。正是張禹老師帶我踏入了遙操作這個(gè)研究領(lǐng)域，并在整個(gè)課題研究中，不斷為我整理思路，開(kāi)拓思維，在他的悉心指導下，我完成了本篇論文。張老師不僅在學(xué)習上給予我幫助，在生活中，張老師 關(guān)心我們的身體健康，經(jīng)常組織我們進(jìn)行體育鍛煉，使我們在科研研究的同時(shí)擁有健 康的體魄。在此向張禹老師表示最誠摯的謝意。

　　同時(shí)，感謝張文川博士學(xué)長(cháng)在撰寫(xiě)論文、計算機仿真方面對我的幫助，感謝羅丹博士學(xué)姐、王永志博士學(xué)長(cháng)在學(xué)習和生活中對我的幫助。感謝課題組陳嚴學(xué)長(cháng)在論文以及期刊發(fā)表經(jīng)驗上的幫助，感謝課題組中王寧、李家錚、王富民、姚廣瑞、白廣東、張博、陸登宇、張恒、李佳、單涵琪等同窗三年以來(lái)的陪伴以及幫助，是你們使我在學(xué)習 生活中不感到枯燥，并在我壓抑、消極的時(shí)候給予我鼓勵和幫助。感謝梁元等學(xué)弟在課題上對我的幫助，沒(méi)有你們，我完成課題的難度將大大增加。

　　感謝我的室友杜金堯、王殿軍、王卓，以及機械工程 1703 班同學(xué)三年以來(lái)的陪伴， 祝你們前程似錦。 感謝我的父母在背后始終如一的支持與付出，為我提供安逸舒適的生活環(huán)境，在我最艱辛的時(shí)刻為我提供溫暖的港灣，為我的成長(cháng)保駕護航。 感謝我的母校，為我提供了良好的科研與生活環(huán)境。

　　最后，衷心感謝百忙之中審閱論文和參加答辯的各位專(zhuān)家、教授們，您們的指導意見(jiàn)將是我不斷前進(jìn)的方向和動(dòng)力。

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