排雷机器人力反馈式遥操作手柄设计文献综述

1. 文献综述（或调研报告）：

遥操作机器人概述

早在20世纪60年代，研究人员就提出了人工智能技术，但人工智能经过多年的研究与发展依然没能达到人们预期的目标。对此，机器人领域的专家认为，由于受到硬件、软件、传感、控制等方面技术水平的限制，实现能够完全自主在未知与复杂环境下执行任务的智能机器人还有很长的路要走。因此，许多机器人相关的研究者认为，机器人的研究重点应该由全自主方式转向人机交互方式的遥操作机器人。遥操作机器人系统由于引入了人的智能，构成一个完整的人机系统。在这个系统中，人和机器有机结合，发挥各自的长处，协调工作。在该人机系统中，人代替机器人完成未知或复杂环境中的规划与决策，而机器人则代替人去往人不能或者不适合前往的恶劣环境（太空、深海、辐射、毒害等）完成作业任务。

鉴于遥操作机器人的现实意义和广阔的应用前景，全球多国都竟相开发相关的技术。在空间遥操作机器人方面，美国 NASA 针对空间遥控作业研制出具有初步临场感的过程机械手 FTS 系统和 DTF-I 系统，并于 1993 年将其载入航天飞机中；同样是1993年，德国研制出了空间遥操作机器 ROTEX，它是第一个可从地面进行遥操作的空间机器人, 但它属于舱内机器人；中国的月球探测器“玉兔号”也运用了遥操作技术。在排雷排爆机器人方面，2004 年美国一家军工公司研制了 Hazmat机器人，操作者通过无线遥控从端，使得从端的机械手可将爆炸物引信拧断，或者对爆炸物实现安全引爆。中国也有自主研发的新型复合移动机构的系列反恐防暴机器人'灵蜥'，其具有极强的地面适应能力，具有多种探测及作业功能，可满足应对突发事件的需要。

目前，遥操作机器人的主要控制形式有两种：仿形控制和随动控制。仿形控制一般用于多自由度机械臂等复杂机器人的控制，该模式的控制系统含有一种外形仿造作业机械臂、结构与功能与机械臂相似的、可由操作者直接用手操作的缩小的模型手臂。操作者操纵仿形手臂时，仿形手臂的姿态变化信号将作为机械臂动作变化的控制量。随动控制则应用更加普遍。随动控制需操作者手握操作杆及操作按键来操作机械臂，机械臂的关节转动等每一个动作都需要操作者用操作杆向机械臂系统发出控制信号。对比两种控制形式，仿形控制具有临场感强，操作者几乎不需要培训便能灵活、高效地操作机械臂完成任务的优点。但是，仿形控制结构复杂，体积也较大。相比之下，随动控制结构简单，体积与重量也容易控制在较小的水平。但随动控制反馈临场感不强，操作者需要较长的时间学习和适应。

在遥操作系统中，机器人是受控端，称为从端，操作者是主控端，称为主端。机器人上安装的各种传感器将从端的信息（如视觉、听觉、触觉、力觉信息等）采集并传输到主端，然后主端基于这些信息向操作者提供相应的反馈，使操作者犹如本人在从端执行任务。因此，操作者能够实时掌握机器人，也就是从端的任务执行情况，并能准确高效的操作从端机器人按照指令执行任务。有研究表明，在非接触作业中，有70%的有效信息来自于视觉，而在接触作业中，有 70%的有效信息来自于力觉（包括触觉）。因此遥操作临场感最重要两种是视觉临场感和力觉临场感。

力反馈装置研究现状

国外研究现状

美国Sensable公司研发了一款商用的力反馈装置“Geomagic Touch”。“Geomagic Touch”是一个自动装置，通过对用户手部施加的力反馈使其感受到虚拟对象，并当用户操纵屏幕上的3D对象时产生真实的触摸感觉。“Geomagic Touch”可用于多种应用，包括：模拟、培训、技能评估、排练、虚拟装配、机器人控制、碰撞检测、人机界面设计、康复、映射和许多其他应用。成立于2001年的Force Dimension公司，始终处于触觉设计的前沿，该公司研制的sigma.7具有独特的7个主动自由度，它的末端执行器覆盖了人手的自然运动范围，其独特的定制设计的执行器提供了非常高的反馈力和扭矩，充分重力补偿和无漂移校准有助于提高使用者的舒适性和准确性。

国内研究现状