遥操作软体机械臂的末端力反馈系统分析

doi:10.12141/j.issn.1000-565X.220164

华南理工大学学报(自然科学版) ›› 2022, Vol. 50 ›› Issue (10): 132-139.doi: 10.12141/j.issn.1000-565X.220164

所属专题： 2022年流体动力与机电控制工程

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遥操作软体机械臂的末端力反馈系统分析

周俊杰¹ 张凌钰¹ 于洋² 张建¹ 马惠臣¹

^1.北京理工大学机械与车辆学院，北京 100081
^2.中国医学科学院阜外医院，北京 100037

收稿日期:2022-03-29 出版日期:2022-10-25 发布日期:2022-07-29
通信作者: 周俊杰（1986-），男，博士，副教授，主要从事软体机器人和流体传动与控制研究。 E-mail:zhoujunjie@bit.edu.cn
作者简介:周俊杰（1986-），男，博士，副教授，主要从事软体机器人和流体传动与控制研究。
基金资助:
车辆传动国家重点实验室开放基金资助项目(JCKYS2019208005)

Research on Teleoperation and End Force Feedback System of Soft Actuator

ZHOU Junjie¹ ZHANG Lingyu¹ YU Yang² ZHANG Jian¹ MA Huichen¹

^1.School of Mechanical Engineering，Beijing Institute of Technology，Beijing 100081，China
^2.Department of Anesthesiology，Fuwai Hospital，Chinese Academy of Medical Sciences & Peking Union Medical College，Beijing 100037，China

Received:2022-03-29 Online:2022-10-25 Published:2022-07-29
Contact: 周俊杰（1986-），男，博士，副教授，主要从事软体机器人和流体传动与控制研究。 E-mail:zhoujunjie@bit.edu.cn
About author:周俊杰（1986-），男，博士，副教授，主要从事软体机器人和流体传动与控制研究。
Supported by:
the National Key Laboratory of Vehicular Transmission of China(JCKYS2019208005)

摘要/Abstract

摘要：

软体机械臂具有天然的柔顺性，作为末端执行器可以实现传统刚性机械臂难以实现的功能，例如可以轻松实现柔性抓取和柔性运动等，而且其对人体友好，在人机交互上具有高度的安全性。文中提出了一种软体机械臂的遥操作以及末端力反馈系统，并基于运动学模型和力反馈方法对其进行控制研究，建立了弯曲模型、伸长模型和力反馈模型，提出了控制方法和控制流程。操作人员通过操作手柄，实现了对位于另一物理空间的软体机械臂的遥操作控制，不仅能控制软体机械臂向任意方向弯曲，还可以控制其在曲率不变的情况下伸长。其中软体机械臂由3个周向均匀布置的波纹管构成，末端力反馈效果通过手柄内部的气动元件实现。该手柄是一种新型主手结构，包括手柄A和手柄B，分别控制软体机械臂的弯曲和伸长，且手柄B具有一定的力觉临场感。文中对提出的系统进行了实验验证，证明了软体机械臂在弯曲、伸长、力反馈阶段的功能，并配备皮肤模型验证软体机械臂作为末端执行器在超声波检测场景下的功能，实验数据表明，软体机械臂末端压力达7 N，力反馈控制循环时间在1 s左右。文中所建立的系统一方面发挥了软体机械臂的柔顺性，另一方面还增加了其远程控制的功能，并且带有力觉临场感，在未来可广泛应用在远程医疗、按摩等领域。

关键词: 软体机械臂, 遥操作, 力反馈, 临场感, 运动学模型

Abstract:

The soft actuators are flexible in nature, and as an end-effector, it can realize functions that are difficult to be achieved by the traditional rigid actuator, such as flexible grasping and flexible motion. Moreover, it is friendly to human body and has a high degree of security in human-machine interaction. This paper presented a teleoperation and end force feedback system of soft actuator. Its control was studied based on kinematic model and force feedback method. The bending model, elongation model and force feedback model were established, and the control method and control flow were presented. Through a pair of handles, the operator realized the remote control of the soft actuator located in another physical space, which can not only control the soft actuator to bend in any direction, but also control its elongation with the same curvature. The soft actuator is composed of three bellows uniformly arranged in the circumferential direction, and the force feedback effect of the end is realized by the pneumatic components inside the handle. The pair of handle is a new type of main hand structure, including handle A and handle B, which control bending and elongation of soft mechanical arm respectively. Handle B has a certain force sense of presence. The proposed system was experimentally verified, and the functions of the soft manipulator were proved in the bending, elongation and force feedback stages, and the skin model was equipped to verify the functions of the soft actuator as the end-effector in the ultrasonic detection scene. The experimental data show that the pressure at the ends of soft actuator is 7 N, force feedback control loop time is around 1 s. The system established in this paper, on the one hand, plays the flexibility of the soft actuator, on the other hand, it also increases the function of remote control, and has a powerful sense of presence, which can be widely used in telemedicine, massage and other fields in the future.

Key words: soft actuator, teleoperation, force feedback, sense of presence, kinematic model

中图分类号:

TP241

周俊杰, 张凌钰, 于洋, 等. 遥操作软体机械臂的末端力反馈系统分析[J]. 华南理工大学学报(自然科学版), 2022, 50(10): 132-139.

ZHOU Junjie, ZHANG Lingyu, YU Yang, et al. Research on Teleoperation and End Force Feedback System of Soft Actuator[J]. Journal of South China University of Technology(Natural Science Edition), 2022, 50(10): 132-139.

图/表 11

图1

图2

图3

图4

图5

图6

图7

图8

图9

图10

表1

力反馈控制循环中单片机1、2串口内容对照1）"

单片机1（控制端）		单片机2（执行端）
时间/s	串口显示内容	时间/s	串口显示内容
46.933	发送位移数据-开始	47.149	接收位移数据-开始
46.933	1，0，0，33，.	47.149	接收位移数据-完毕
47.073	发送位移数据-结束	47.383	D=33
47.120	接收数据 $F S 1$ -开始	47.430	Fdata2 = 735 g
47.191	0，0，2，0，0，12，2，0，0，12，.	47.477	数据 $F S 2$ 所处档位：12
47.191	0，2，0，0，12，2，0，0，12，2，.	47.477	发送数据 $F S 2$ -开始
47.258	2，0，0，12，2，0，0，12，2，0，.	47.522	2，0，0，12，.
47.306	0，0，12，2，0，0，12，2，0，2，.	47.662	发送数据 $F S 2$ -结束
47.678	接收数据 $F S 2$ -完毕
47.724	数据F_S2所处档位：12
47.724	Fdata1=847 g
47.910	数据 $F S 1$ 所处档位：10
47.960	elasticCap：80

表1

参考文献 23

1	谭婧．达芬奇手术机器人发展史：麻省理工诞生、垄断全球、2020决战谷歌［EB/OL］．（2018-12-09）［2022-02-20］．.
2	姜作飞．手术机器人力反馈操作装置及算法研究［D］．沈阳：东北大学，2014.
3	李长军．面向外科手术的力反馈型遥操作主手研究［D］．哈尔滨：哈尔滨工业大学，2011.
4	邱新安，马动涛，朱博，等．面向空间机械臂操作的力反馈手柄设计［J］．航天器工程，2020，29（4）：66-73.
	QIU Xin’an， MA Dongtao， ZHU Bo，et al ．Design of force feedback handle for space manipulator operation ［J］．Spacecraft Engineering，2020，29（4）：66-73.
5	丰飞．核工业热室主从遥操作机械臂系统［EB/OL］．（2018-07-06）［2022-03-28］．.
6	RUS D， TOLLEY M T ．Design，fabrication and control of soft robots ［J］．Nature，2015，521（7553）：467-475.
7	LI S， VOGT D M，RUS D，et al ．Fluid-driven origami-inspired artificial muscles ［J］．Proceedings of the National Academy of Sciences，2017，114（50）：13132-13137.
8	李朋波．柔性驱动软体按摩机器人设计与实验研究［D］．秦皇岛：燕山大学，2019.
9	赵延治，韦航，李朋波，等．一种基于柔性驱动的按摩机器人：CN109223482A ［P］．2019-01-18.
10	周诚．空间七自由度冗余机械臂动力学建模与控制研究［D］．哈尔滨：哈尔滨工业大学，2015.
11	CIANCHETTI M， LASCHI C， MENCIASSI A，et al ．Biomedical applications of soft robotics ［J］．Nature Reviews Materials，2018，3（6）：143-153.
12	高龙琴．力反馈数据手套与遥操作机器人系统研究［D］．南京：东南大学，2006.
13	刘海波，席振鹏．力反馈主手研究现状及其力控制方法研究［J］．自动化技术与应用，2009，28（3）：1-6.
	LIU Hai-bo， XI Zhen-peng ．An overview of the haptic device and force control ［J］．Technique of Automation & Applications，2009，28（3）：1-6.
14	吴剑锋，宋爱国，李建清．一种三维力反馈手控器［J］．传感技术学报，2010，23（10）：1417-1420.
	WU Jian-feng， SONG Ai-guo， LI Jian-qing ．A three-dimensional force reflecting hand controller ［J］．Chinese Journal of Sensors and Actuators，2010，23（10）：1417-1420.
15	LI H， SONG A， LI B，et al ．Experiments and assessments of a 3-DOF haptic device for interactive operation ［J］．EURASIP Journal on Image and Video Processing，2018（1）：1-15.
16	沈阳通用机器人技术股份有限公司．六自由度力反馈手柄［DB/OL］．［2022-03-28］．
17	Dimension Force ．Company ［DB/OL］．［2022-03-28］．
18	王海涛，度红望，熊伟，等．气动力反馈数据手套设计与验证［J］．计算机辅助设计与图形学学报，2012，24（11）：1493-1499.
	WANG Hai-tao， DU Hong-wang， XIONG Wei，et al ．Design and verification of a pneumatic force feedback data glove ［J］．Journal of Computer-Aided Design & Computer Graphics，2012，24（11）：1493-1499.
19	度红望．新型气动力反馈数据手套的设计的研究［D］．大连：大连海事大学，2010.
20	徐骋，刘永才，王长青．基于气动力反馈的直接力控制技术［J］．战术导弹技术，2007（3）：59-63.
	XU Cheng， LIU Yong-cai， WANG Chang-qing ．Direct force control technology based on aerodynamic force feedback ［J］．Tactical Missile Technology，2007（3）：59-63.
21	邢冠培．气动力反馈数据手套的研究［D］．哈尔滨：哈尔滨工业大学，2005.
22	王爱民，戴金桥．一种新型的力反馈实现方法［J］．东南大学学报（自然科学版），2007，37（3）：414-419.
	WANG Aimin， DAI Jinqiao ．Novel technique for force feedback ［J］．Journal of Southeast University （Natural Science Edition），2007，37（3）：414-419.
23	ZHANG L， ZHOU J， ZHANG J ．The terminal trajectory drive and control of a three-channel soft actuator ［C］∥ Proceedings of 2020 IEEE International Confe-rence on Mechatronics and Automation （ICMA）．Beijing：IEEE，2020：215-219.

[1]	夏毅敏, 马劼嵩, 张亚洲, 等. 基于柔度误差检测的锚杆台车机械臂定位[J]. 华南理工大学学报（自然科学版）, 2020, 48(3): 83-90.
[2]	柴琳果蔡伯根上官伟王剑王化深. 联网智能车运动学仿真基础环境构建方法[J]. 华南理工大学学报（自然科学版）, 2018, 46(1): 66-77.
[3]	陈丹席宁唐旭晟. 基于事件预测的遥操作机器人系统的性能分析[J]. 华南理工大学学报(自然科学版), 2012, 40(9): 123-130.
[4]	杜广龙张平. 具预警功能机器人遥操作动态虚拟夹具的设计[J]. 华南理工大学学报(自然科学版), 2012, 40(4): 43-48,63.
[5]	张平卢人庆梁斌 . 空间机器人遥操作管理系统可靠性分析和建模[J]. 华南理工大学学报（自然科学版）, 2008, 36(1): 8-12.
[6]	王世华胥布工刘云辉 . 基于Internet的实时遥操作移动机器人系统[J]. 华南理工大学学报（自然科学版）, 2008, 36(1): 81-88.
[7]	游林儒王清阳. 基于混杂动态系统的机器人网络遥操作控制[J]. 华南理工大学学报（自然科学版）, 2006, 34(1): 73-76.
[8]	王佳庆王少华. 变形蔡氏电路中的混沌控制[J]. 华南理工大学学报(自然科学版), 2003, 31(5): 75-78.

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