遥操作工程机器人运动觉提示平台的设计与实现

摘要

具有临场感的遥操作工程机器人是一种操作者可以通过操作手柄进行遥控操作，同时，操作者还可以获得远端工程机器人作业现场感觉(力觉、视觉和运动觉等)的工程机器人。运动觉提示平台是具有临场感的遥操作工程机器人系统中用来模拟远端工程机器人运动姿态的装置，其目的是为了将远端工程机器人的运动信息反馈给操作者，帮助操作者更有效地完成遥控作业。
　　 本文设计的平台采用液压驱动，由计算机实时控制，可以产生俯仰、翻滚和升降三个自由度的运动，本文对运动觉提示平台系统进行了设计和研究。首先，分析了提示平台的工作原理，并根据提示平台的运动性能指标，提出了平台系统的总体方案，确定了平台为液压驱动方式。设计了平台的液压系统，选取了液压阀、液压缸等液压元件的型号。其次，建立了平台的运动学模型。在消除机械约束的情况下，推导出了从六自由度系统到三自由度系统的逆运动学坐标变换公式，并根据提示平台机构，推导出提示平台三个液压缸的位移与工程机器人姿态之间的关系式，得到控制的设定信号。同时，为了分析提示平台对工程机器人运动姿态的跟随特性，推导了平台的正运动学正解公式，得到了平台的实时运动姿态与液压缸实时位移之间的关系式。然后，对系统测控系统方案进行了论证，并完成测控系统的硬件和软件设计。选定了三轴加速度传感器、位移传感器、数据采集卡和模拟量输出卡的型号，完成了硬件接线。根据平台的运动学模型，采用VC++进行编程，按照模块化编程思想，编写了平台控制的人机界面、数据采集及倾角和位移解算模块和系统控制模块。最后，进行平台系统的实验研究，对单个液压缸进行位置控制试验，调定PID参数，得到比较满意的控制效果后，进行平台的运动觉提示实验，然后对平台的跟随性进行实验研究。实验研究表明，本文设计的运动觉提示平台系统，能实现对远端工程机器人运动感觉的提示。