專利名稱：一種帶有攝像機(jī)的遙操作雙邊控制模擬裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉 及一種帶有攝像機(jī)的遙操作雙邊控制模擬裝置，屬于機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
遙操作是通過通信網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程控制操作臂進(jìn)行作業(yè)的技術(shù)，主要應(yīng)用于人類難以到 達(dá)，或者有毒的工作環(huán)境中，比如空間任務(wù)、深海作業(yè)、核處理、遠(yuǎn)程醫(yī)療等領(lǐng)域。自20世紀(jì) 80年代以來，美國、俄羅斯、德國、日本以及中國等紛紛開展了遙操作技術(shù)的相關(guān)研究。在針 對(duì)遙操作技術(shù)的研究中，很多學(xué)者都在努力提高遙操作系統(tǒng)的臨場(chǎng)感，以便提高遙操作性 能，使操作者具有身臨其境的感覺。臨場(chǎng)感包括視覺臨場(chǎng)感和力覺臨場(chǎng)感兩類。具有力覺臨場(chǎng)感的遙操作技術(shù)為操作 者提供了良好的觸覺接口，可以使操作者真實(shí)的感受到遠(yuǎn)程操作臂與目標(biāo)的接觸狀態(tài)，極 大的提高了操作者對(duì)作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的掌握程度。具有力覺臨場(chǎng)感的遙操作技術(shù)經(jīng)過幾十年的發(fā) 展，已經(jīng)被逐漸地應(yīng)用于人們難以靠近的高溫、高壓、強(qiáng)輻射、窒息等極限環(huán)境。在具有力覺 臨場(chǎng)感的遙操作系統(tǒng)中，主端控制從端運(yùn)動(dòng)，同時(shí)從端將受到的接觸力反饋給主端，形成了 主、從端之間相互控制的現(xiàn)象，這種控制方式稱為雙邊控制。對(duì)于傳統(tǒng)的雙邊控制系統(tǒng)，只有從端操作臂接觸到遠(yuǎn)程作業(yè)環(huán)境時(shí)，作業(yè)環(huán)境才 會(huì)對(duì)從端操作臂產(chǎn)生接觸力，并最終由主端操作臂將該力反饋給操作者。而遙操作系統(tǒng)中 一般存在雙向時(shí)延，當(dāng)操作者感受到從端的接觸力并發(fā)出正確的操作指令，等該指令到達(dá) 從端操作臂時(shí)，從端操作臂可能已經(jīng)與作業(yè)環(huán)境發(fā)生了嚴(yán)重碰撞。為了克服時(shí)延帶來的這 些問題，可以將從端操作臂與目標(biāo)之間的距離作為參考量，將其變換成主端操作臂的反饋 力，當(dāng)從端操作臂遠(yuǎn)離目標(biāo)時(shí)，反饋力很小，甚至為零；當(dāng)從端操作臂靠近目標(biāo)時(shí)，反饋力逐 漸增大；當(dāng)從端操作臂接觸到作業(yè)環(huán)境時(shí)，主端產(chǎn)生很大的反饋力。另外，對(duì)于復(fù)雜的遙操作任務(wù)，很難用一個(gè)操作臂完成作業(yè)任務(wù)，常常需要兩個(gè)操 作臂進(jìn)行協(xié)同作業(yè)。對(duì)于這種兩臂協(xié)同作業(yè)的模式，可以采用結(jié)構(gòu)、大小、重量等不同的兩 個(gè)操作臂，其中一個(gè)操作臂作為主操作臂，另一個(gè)作為輔助操作臂；也可以采用兩個(gè)完全相 同的操作臂，兩臂之間沒有主、次之分，相互協(xié)作完成等量的作業(yè)任務(wù)?，F(xiàn)有的雙邊控制實(shí)驗(yàn)裝置都直接反饋從端操作臂遇到的接觸力，由于雙邊控制系 統(tǒng)的主、從端之間一般具有傳輸時(shí)延，因此操作者感受到的力反饋是滯后的，容易引起從端 操作臂與環(huán)境的嚴(yán)重碰撞?，F(xiàn)有的雙邊控制實(shí)驗(yàn)裝置一般都是由兩個(gè)操作臂組成的，其中一個(gè)作為主端操作 臂，另一個(gè)作為從端操作臂，這種只有兩個(gè)操作臂的雙邊控制系統(tǒng)無法驗(yàn)證雙臂協(xié)調(diào)作業(yè) 的實(shí)驗(yàn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種帶有攝像機(jī)的遙操作雙邊控制模擬裝置，改變已有雙邊 控制裝置的結(jié)構(gòu)，通過攝像機(jī)采集的視頻信息，分析從端操作臂與目標(biāo)的距離信息，并采用雙臂協(xié)調(diào)控制技術(shù)，克服現(xiàn)有雙邊控制裝置存在的不足，以用于雙邊控制理論的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證， 可以作為高等院校和科研院所的教學(xué)、科研器材。本發(fā)明提出的帶有攝像機(jī)的遙操作雙邊控制模擬裝置，包括基座、四組轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、 第一主端操作臂、第二主端操作臂、第一從端操作臂、第二從端操作臂和攝像機(jī)；所述的四 組轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)中的兩組通過電機(jī)支架固定在基座的一側(cè)，四組轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)中的另兩組通過電機(jī) 支架固定在基座的另一側(cè)，每組轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)由編碼器、力矩電機(jī)和連接件組成，編碼器與力矩 電機(jī)相對(duì)固定，連接件的一端與力矩電機(jī)聯(lián)動(dòng)；第一主端操作臂和第二主端操作臂分別固 定在所述的基座一側(cè)兩組轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)中的連接件的另一端，第一從端操作臂和第二從端操作 臂分別固定在所述的基座另一側(cè)兩組轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)中的連接件的另一端；所述的攝像機(jī)通過攝 像機(jī)支架固定在基座的另一側(cè)，使攝像機(jī)處于第一從端操作臂和第二從端操作臂的上方。本發(fā)明提出的帶有攝像機(jī)的遙操作雙邊控制模擬裝置，與已有的雙邊控制實(shí)驗(yàn)裝 置相比，采用攝像機(jī)拍攝到的視頻信息，可以實(shí)時(shí)檢測(cè)從端操作臂與目標(biāo)的距離，以該距離 的遠(yuǎn)近作為反饋力的依據(jù)，可以有效克服時(shí)延對(duì)雙邊控制系統(tǒng)帶來的影響。其次，本發(fā)明的 遙操作雙邊控制模擬裝置具有四個(gè)獨(dú)立的單自由度操作臂，其中兩個(gè)為主端操作臂，另外 兩個(gè)為從端操作臂，每個(gè)主端操作臂控制對(duì)應(yīng)的從端操作臂運(yùn)動(dòng)，可以進(jìn)行雙臂協(xié)調(diào)雙邊 控制實(shí)驗(yàn)。


圖1為本發(fā)明提出的帶有攝像機(jī)的遙操作雙邊控制模擬裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。圖1中，1是基座，2是電機(jī)支架，3是力矩電機(jī)，4是編碼器，5是連接件，6是第一 主端操作臂，7是第二主端操作臂，8是第一從端操作臂，9是第二從端操作臂，10是攝像機(jī) 支架，11是攝像機(jī)。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明提出的帶有攝像機(jī)的遙操作雙邊控制模擬裝置，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括 基座1、四組轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、第一主端操作臂6、第二主端操作臂7、第一從端操作臂8、第二從端 操作臂9和攝像機(jī)11。四組轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)中的兩組通過電機(jī)支架2固定在基座1的一側(cè)，四組 轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)中的另兩組通過電機(jī)支架2固定在基座1的另一側(cè)。每組轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)由編碼器4、力 矩電機(jī)3和連接件5組成，編碼器4與力矩電機(jī)3相對(duì)固定，連接件5的一端與力矩電機(jī)聯(lián) 動(dòng)。第一主端操作臂6和第二主端操作臂7分別固定在基座1一側(cè)兩組轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)中的連接 件5的另一端，第一從端操作臂8和第二從端操作臂9分別固定在基座1的另一側(cè)兩組轉(zhuǎn) 動(dòng)機(jī)構(gòu)中的連接件5的另一端。攝像機(jī)11通過攝像機(jī)支架10固定在基座1的另一側(cè)，并 使攝像機(jī)11處于第一從端操作臂8和第二從端操作臂9的上方。本發(fā)明提出的帶有攝像機(jī)的遙操作雙邊控制模擬裝置的一個(gè)實(shí)施例中，所用的力矩電機(jī)為由北京勇光高特微電機(jī)有限公司生產(chǎn)的的70LY53力矩電機(jī)，所用的編碼器為由 北京勇光高特微電機(jī)有限公司生產(chǎn)的HXK-3808光電編碼器，所用的攝像機(jī)為Watec公司生 產(chǎn)的WAT-250D彩色攝像機(jī)。本發(fā)明提出的帶有攝像機(jī)的遙操作雙邊控制模擬裝置，其工作原理如下(1)進(jìn)行基于攝像機(jī)的雙邊控制實(shí)驗(yàn)。
此實(shí)驗(yàn)中只使用兩個(gè)操作臂，選擇任意一個(gè)主端操作臂和一個(gè)從端操作臂都可以進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)時(shí)，操作者拉動(dòng)主端操作臂運(yùn)動(dòng)，控制從端操作臂進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)，同時(shí)根 據(jù)攝像機(jī)拍攝的視頻信息分析從端操作臂與目標(biāo)之間的距離信息，主端電機(jī)產(chǎn)生相應(yīng)的阻 力。(2)進(jìn)行兩操作者雙臂協(xié)調(diào)雙邊控制實(shí)驗(yàn)。此實(shí)驗(yàn)中不使用攝像機(jī)。實(shí)驗(yàn)時(shí)，兩個(gè)操作者分別拉動(dòng)兩個(gè)主端操作臂，驅(qū)動(dòng)相應(yīng) 從端操作臂運(yùn)動(dòng)。同時(shí)根據(jù)運(yùn)動(dòng)幅度的大小，主端電機(jī)產(chǎn)生相應(yīng)的阻力。(3)進(jìn)行單操作者雙臂協(xié)調(diào)雙邊控制實(shí)驗(yàn)。此實(shí)驗(yàn)中不使用攝像機(jī)，兩個(gè)主端操作臂中任意選用其中的一個(gè)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn) 時(shí)，操作者拉動(dòng)主端操作臂，驅(qū)動(dòng)兩個(gè)從端操作臂運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，將兩個(gè)從端操作臂運(yùn)動(dòng)幅度 的大小按照一定的比例合成為一個(gè)總的運(yùn)動(dòng)量，主端電機(jī)再根據(jù)這個(gè)總運(yùn)動(dòng)量產(chǎn)生相應(yīng)的 阻力。
權(quán)利要求
一種帶有攝像機(jī)的遙操作雙邊控制模擬裝置，其特征在于該裝置包括基座、四組轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、第一主端操作臂、第二主端操作臂、第一從端操作臂、第二從端操作臂和攝像機(jī)；所述的四組轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)中的兩組通過電機(jī)支架固定在基座的一側(cè)，四組轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)中的另兩組通過電機(jī)支架固定在基座的另一側(cè)，每組轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)由編碼器、力矩電機(jī)和連接件組成，編碼器與力矩電機(jī)相對(duì)固定，連接件的一端與力矩電機(jī)聯(lián)動(dòng)；第一主端操作臂和第二主端操作臂分別固定在所述的基座一側(cè)兩組轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)中的連接件的另一端，第一從端操作臂和第二從端操作臂分別固定在所述的基座另一側(cè)兩組轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)中的連接件的另一端；所述的攝像機(jī)通過攝像機(jī)支架固定在基座的另一側(cè)，使攝像機(jī)處于第一從端操作臂和第二從端操作臂的上方。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種帶有攝像機(jī)的遙操作雙邊控制模擬裝置，屬于機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域。包括基座、四組轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、第一主端操作臂、第二主端操作臂、第一從端操作臂、第二從端操作臂和攝像機(jī)。四組轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)分別固定在基座上。第一主端操作臂和第二主端操作臂分別固定在基座一側(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的連接件上，第一從端操作臂和第二從端操作臂分別固定在基座另一側(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的連接件上。攝像機(jī)固定在基座上，并處于第一從端操作臂和第二從端操作臂的上方。本發(fā)明的模擬裝置，可有效克服時(shí)延對(duì)雙邊控制系統(tǒng)帶來的影響，可以進(jìn)行雙臂協(xié)調(diào)雙邊控制實(shí)驗(yàn)。
文檔編號(hào)B25J19/00GK101863027SQ20101017677
公開日2010年10月20日 申請(qǐng)日期2010年5月14日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月14日
發(fā)明者劉華平, 孫富春, 李永明, 王?；? 胡來紅 申請(qǐng)人:清華大學(xué)