遥操作工程机器人运动觉提示平台的设计与实现

本资料包含pdf文件1个，下载需要1积分

Design and Implementation of M otion Sense Simulation Platformfl0r Tele.operated Construction RobotYUAN Jiaiie.LI Xiao(Faculty of Electromechanical Engineering，Guangdong University of Technology，Guangzhou Guangdong 510006，China)Abstract：In order to feed back the motion information of tele-operated construction robot to the operator to better finish remotecontrol work，a motion sense simulation platform was designed，and a method of 3 freedom degrees motion sense simulation was pro-posed.The control signals of the platform was obtained by detecting the motion information of th.e tele-operated construction robot andmaking inverse kinematics solution，and the platform motion folowing the robot was controled through electro-hydraulic proportionalcontrol system.The experimental results show that the platform can be used to simulate the motion of the construction robot wel，andits structure is simple. The research provides reference to the design of tele-operated robot for engineering application。

Keywords：Tele-operated construction robot；Motion sense simulation；Platform具有临场感技术的遥操作工程机器人在-些人类难以接近的诚，如地震、冰灾等-些自然灾害搜救现场 ，具有广泛 的应用前景。临场感技术 以人为 中心，通过各种传感器将远地机器人与环境的交互信息(包括视觉、力觉、触觉、听觉、运动觉等)实时地反馈到本地操作者 (人 )处，生成和远地环境-致的虚拟环境，使操作者产生身临其境的感受，从而实现对机器人带感觉的控制，完成作业任务 。运动觉是临场感的重要组成部分，具有运动觉提示的遥操作工程机器人能使操作者更逼真地沉浸入机器人环境当中，更有效地控制和操作机器人。

国内外学者对遥操作工程机器人的运动觉提示进行了大量研究 。文献 [4]提出了-种遥操作工程机器人六 自由度运动觉反馈方法，该方法采用6个液压缸驱动平台，通过位移传感器检测出缸的位移，构成闭环控制系统，实现了对工程机器人的六自由度运动觉反馈，但结构较为复杂。而机器人在-般工程作业现场，很少有六自由度的复杂运动，多为俯仰、翻滚和升降的复合运动，三自由度运动觉反砾本可以满足要求。因此，作者设计了-种三自由度运动觉提示平台，该平台结构简单，实现了机器人的三自由度运动提示。

1 平台系统设计1.1 平 台结构设计图1为遥操作工程机器人运动觉提示系统。该系统主要由工程机器人、运动觉提示平台和计算机组成。操作者坐在平台座椅上通过手柄操纵工程机器人作业，机器人运动信号通过安装在机器人端的加速度传感器检测，并送人计算机。计算机输出平台控制信号，控制平台跟随工程机器人运动，对操作者进行运动觉提示。

作者设计的运动觉提示平台主要由底板、3个液压缸、连杆机构、支承板、座椅、手柄等组成，可使平台产生俯仰 (±17。)、翻滚 (±17。)和升降(士100 mlTI)三自由度运动。

收稿日期：2012-03-16基金项目：广东省 211工程”重点学科建设项目作者简介：袁佳洁 (1987-)，男，硕士研究生，研究方向为机电液智能控制与应用。E-marl：13560460145###139.com。

· 118· 机床与液压 第41卷图 1 遥操作工程机器人运动觉提示系统1.2 平台液压系统设计平台液压系统的原理如图2所示 ，油源压力由溢流阀4调定，由蓄能器8稳压。改变各电液比例方向阀输入电压信号可分别控制各液压缸的位移，液压缸的位移通过内置的位移传感器检测。

l-电动机 2-吸油滤油器 3～泵 4-溢流阀 s-电磁换 向阀6-单向阀 7-高压滤油器 8-蓄能器 9-压力表l0、l1、12- 电液比例方 向阀 l3、l4、l5-液压缸图2 平台液压系统原理图1.3 平台测控 系统设计平台测控系统原理如图3所示，主要参数如表 1所示。

安装在远端工程机器人的传感器3个轴的加速度信号和3个液压缸的位移信号经数据采集卡采集，完成A/D转换，输入到计算机进行控制运算，得到控制信号，经模拟量输出卡完成 D/A转换，输出给 3个比例方向阀。

x向加速度传感器 - 缸 l比例方向阀J，向加速度传感器 m 数 厶 模口 拟z向加速度传感器 据 控 量- 缸2比例方向阀 采 制 输缸 1位移传感器 集 计卡 算 出缸 2位移传感器 机 卡缸3位移传感器 - 缸3比例方向阀1图3 测控系统原理图表 1 系统主要参数名称 具体型号 参数1-1华71 麓 16 /kPC L-726EVA ADxL±5g量程 ，50 Hz带宽 传感器 325Z -2 三自由度运动觉提示方法图4为平台三自由度运动觉提示流程图。加速度传感器检测工程机器人运动的俯仰角0 、翻滚角和升降位移 ，输出沿其敏感轴 、Y和 的加速度。 。 和。：。通过信号转换运算得到机器人的俯仰角0、翻滚角 和升降位移 三自由度运动信息。通过运动学逆解，得到3个液压缸的位移设定信号s。、s和s，。位移传感器将液压缸位移信号 .s 、s 和 s反馈给控制器，构成闭环控制系统。对平台进行运动学正解后，得到平台运动的俯仰角0 、翻滚角 和升降位移W ～其分别与测得的机器人运动的俯仰角0、翻滚角 和升降位移W进行比较，可分析平台的跟随特性。

岖 匦匾 巫l -下. . . I I - I L-------- l- - - - - 。

矍 I图4 运动觉提示流程图2.1 运动信号的检测加速度传感器的敏感轴的坐标系如图5所示，定义 轴与水平面的夹角为俯仰角 0，Y轴与水平面的夹角为翻滚角 。

第5期 袁佳洁 等：遥操作工程机器人运动觉提示平台的设计与实现 ·119·图5 加速度传感器敏感轴坐标系当传感器放置在水平面时，俯仰角 0为0，在其各轴方向上的加速度分别为：a 0 a 0 a -g (1)式中：g为重力加速度。

当加速度传感器X轴与水平面产生俯仰角 0时，如图6所示，在其各轴方向上的加速度分别为 ：a gsinO a 0 a -gcosO (2)由式 (2)可得俯仰角为：0-arctanf 1 (3) 、a ，同理，可得到翻滚角为： arctanf 1 (4) 、a ，如图7所示，当加速度传感器发生三自由度运动时，z轴会产生与竖直方向的-个坡角 ，此时。轴输出加速度a 为：a：aHcosT-gcosT (5)式中：a 为竖直方向的加速度，即升降加速度。

由式 (5)得 ：。n g (6)坡角为：y- n-l ㈩ C0S C08∞升降位移W可通过竖直方向的加速度 a 两次积分得到。

图 6 俯仰变化后的坐标系 图7 方向的加速度测量2.2 运动学逆解平台支承板的坐标系如图8所示。

/z～ fP， P' P，，)0 o]E coso·l P ll 0 l (8) J L钾J式中：(P ，P P )为支撑板各支点的初始坐标；(P ，P P )为支承板经俯仰、翻滚和升降运动图9 平台连杆结构示意图由图9所示的几何关系得：c。

c峨 (12)(13)· 120· 机床与液压 第4l卷Hi/(P -q，x) (P -qi，) (JP -Q )(14)S L -Sm (15)式中： (Q Q Q )为底板各支点的坐标；s 为各缸的实时位移；.s 为各缸的初始位移。

(17)Q /40 Q Ho Q Ho (18)式中： 为平台初始化的高度。

由式 (8)- (18)可求得各缸的实时位移 s与俯仰角 0、翻滚角 和升降位移W的关系～解算出的各个缸位移设定信号 .s 、s 和s 与传感器检测到的位移 、5 和 s 之间的偏差作为控制器输入信号。

2.3 运动学正解根据平台结构，得：L S S∞ (19)由式 (12)、式 (13)和式 (19)可得到：H/ 三 - [三 三 -( s ) ](20)由平台几何关系，可知：H P -Q (21)P；- Q (22)H 、/ -峨 -娥 (23)支承板经俯仰、翻滚和升降三自由度运动后，点P。、P 和 P。主要是 。坐标变化， 和 Y坐标变化很小，可以忽略不计 ，此时新的三支点坐标组成的矩阵为：rP1 P1 H1 ]PI P Pz H2：I (24)LPh P， H3。J式中：P P 为支承板各支点初始状态的坐标值。

如图10所示，如果沿 轴和Y轴方向，坡角分别为 - 和- 的梯度向量分别为P和Q，设坐标系各坐标轴的单位向量分别为i， ，k，则向量JP和Q分别为：Pcos0 i-sin0 k (25)Q-coso -sinq k (26)支承板的法向量 为：RQ×Pcos， sin0 l-cos0 sin ：，cos0 cosb k(27)R -R i R：k这里 ：R 雌系]R P 1P 1 l P2 2， ILP J- ctan(-惫)arc ( R) ，fHI HkH3- - ～ (28)(29)(30)(31)(32)(33)(34)图 1O 变换后支承板示意图2.4 程序设计图 11为主程序流程图，实现的主要功能如下：数据采集、倾角和位移计算、运动学逆解、PID控制和运动学正解。

图 11 主程序流程图3 实验研究为了验证所提出的运动觉提示方法的有效性 ，进第5期 袁佳洁 等：遥操作工程机器人运动觉提示平台的设计与实现 ·121·行了平台运动跟随性实验研究。实验时，使传感器产生俯仰、翻滚和竖直3个自由度的运动。图12、图13和图14分别为平台实测俯仰角、翻滚角和升降位移与加速度传感器的俯仰角、翻滚角和升降的对比曲线。

援盆害时间/s1 l-加速度传感器I 2-平台图12 俯仰角对比曲线 图13 翻滚角对比曲线20- l00星擎. 10. 201 2 3 4 5 6 7时间/s图14 升降位移对比曲线4 结论以获得遥操作工程机器人的临场运动感觉为 目的，设计了-种三自由度运动觉提示平台。实验证明了该平台能实现对远端工程机器人运动信息的反溃该平台结构简单，运动觉提示方法可行，对设计工程应用型远程操作机器人有参考作用。