内容导读：

      引言 

　自从世界上第一台工业机器人在本世纪六十年代诞生以来，工业机器人技术在国际上得到了巨大的发展和广泛的应用，在工业生产、太空和海洋探索、国防建设以及人民生活的许多领域都产生了重大影响。但是，随着它越来越广泛的应用，机器人作业环境和执行任务的精细和复杂化程度也变得越来越高，普通机器人以及与其配合的各种简单的末端夹持装置已远远不能满足航天作业、核工业技术以及其它柔性生产线上各种灵巧和精细操作任务的要求,人们期待着能够将一种通用的、智能化的、能适应各种复杂工作需要的末端操作装置与机器人组装起来，协调完成各种复杂和精巧的工作任务。 
 
   同时，在多指灵巧手(Multi-Fingered Dexterous Hand)的机构、驱动、控制技术以及机器人力觉、视觉等各项相关技术基本成熟以后,为了使灵巧手能够真正进行实际作业,取代机器人末端的传统夹持器，也必须把灵巧手装接到机器人臂上，构成多冗余度机器人臂-手操作系统，实现臂-手的并发协调控制，这样机器人臂和灵巧手才可以互相取长补短，既克服了灵巧手的运动范围小的缺点，又可提高机器人臂操作的灵巧性，从而使得机器人臂和灵巧手可以在视觉、力觉、触觉、接近觉等多感知的基础上，实现大范围内臂动和小范围内手动的协调，完成各种场合实际需要的灵巧作业。 

　　从国际方面看,美、日、意大利、法国等科技发达国家的多指灵巧手应用研究也就是这样发展起来的。如美国JPL实验室，Sandia国家实验室，MIT，Utah大学，New York大学，加拿大的MeGill大学，日本的东京大学、三菱重工，意大利的Pisa大学等等，都在这方面开展了大量研究。它们所用的机器人臂多为PUMA560,灵巧手则一般为JPL四指手、Stanford三指手、Utah-MIT四指手等。一些研究单位还采用数据手套、遥操作机械臂、头盔和数据服，来获取人臂、手以及身体的运动参数，从而实现对机器人臂、手集成系统的远距离协调控制，进而辅助人完成一些具有实际应用价值的作业。 

　　近年来，北京科大、国防科大、东南大学等兄弟单位也进行了多指灵巧手的某些研究工作，但在多指灵巧手遥控作业和与机器人臂的协同作业研究方面与国外有较大差距，为了缩小在臂/手集成系统方面与国外研究水平的差距，北航机器人研究所在国家“863”智能机器人主题支持下，在张启先院士的直接领导下，研制出了能实现简单抓持和操作作业的三指九自由度灵巧手实验样机，在国内居领先水平；同时，在1993年国家教委世界银行重点学科项目资助下，北航购入了美国STAUBLI UNIMATION 公司的新型PUMA560工业机器人系统。目前北航机器人所又研制出新型三指九自由度灵巧手BH-2实验样机，在机构、操作力学算法、计算机控制器结构、和力觉传感器方面都实现了较大突破，为实现手-臂集成已奠定了基础。此外，机器人研究所在211工程和国家“863”智能机器人主题的继续支持下，开始对智能臂/手系统进行了深入研究。同时，我国在基于视觉、力觉、接近觉、数据手套等多感知的灵巧手与机械臂集成系统的有关引导和协调控制方面的研究工作才刚刚起步，因此，非常有必要深入开展这方面理论与方法的研究工作。 

系统结构 

　　本文介绍的多感知、智能化机器人手/臂集成系统，以PUMA 560工业机器人和北京航空航天大学最新研制的三指九自由度灵巧手为实验平台，在融合了视觉、力觉、接近觉、六自由度遥操作机械臂以及三指五关节数据手套等多种感知型传感器所得到的环境数据的基础上，通过采用一套优化的全局控制、协调的共享控制算法，实时根据被操作物的运动状态进行规划、引导机器人臂和手的跟踪、运动以及抓持，实现臂/手的并发协调控制，使机械臂和灵巧手能根据外部环境的操作条件进行自主控制和抓持，完成大范围的臂动和小范围的手动协调，进而完成系统所需实现的各种灵巧和精细作业。系统现已通过国家863专家组的验收和鉴定,实验结果证明，此集成系统在实现操作任务的实时性、智能性和高效性等方面是非常有效的。基于多传感器局部自主的机器人臂与灵巧手集成系统是包含有15个自由度的臂手集成操作系统和5个子系统单元的集成控制系统，其中5个子系统单元为 PUMA560控制器、基于PC386的灵巧手控制器、基于PC586的6自由度遥操纵臂和3指5自由度数据手套控制单元、基于PC586的多感知协调控制单元、基于HP工作站IGRIP软件的臂手集成系统图形仿真和运动规划单元。 

　　BH-3 型灵巧手为三指9自由度手，采用瑞士Maxon微型直流伺服电机驱动，9个电机全部置于手掌，大大缩短了钢丝绳传动路线，使灵巧手体积减小、重量仅为1.3kg。该臂手集成系统中分布了视觉、力觉、接近觉和位置等多种传感器，其中两套CCD摄像头分别提供臂和手运动空间的定位，PUMA560的6维腕力传感器和灵巧手的3维指端力传感器提供力感知功能，9个指关节转角电位计提供抓持空间位置和3个指端光纤接近觉传感器提供防碰功能。 
　　臂手集成系统采用多层分布式体系结构，通过不同子系统单元的重组，可以实现五种操作模式： 
（1） 离线编程： 
　　利用IGRIP机器人图形仿真软件，建立外部环境模型，规划臂手系统作业及运动。此 
模式可以针对特定工作环境设定初始点、子目标及终止点，然后自动生成无碰撞运动轨迹或机器人语言控制程序。 
（2） 在线控制： 
　　集成系统在异地 可用并发多任务进程实现PC和工作站之间的数据通讯，将图形仿真 
规划的子目标序列送入底层的灵巧手和PUMA560控制器，完成臂手在线控制操作，即HP工作站IGRIP软件多感知协调控制单元PUMA560和灵巧手控制器。 
（3） 局部自主： 
　　多感知协调控制单元能够基于标志点实现对环境位置模型的修正，并且根据子任务， 
局部自主地实现目标跟踪定位、防碰保护、关节限位、抓空判断以及臂手协调控制等。 
（4） 遥操作： 
　　遥操纵臂和数据手套控制单元通过多感知协调控制单元，可实现臂手集成系统的主从操作。 
（5） 虚拟环境下的人机交互： 
　　利用遥操纵臂和数据手套控制单元，提供并发多任务数据通讯进程，在虚拟环境下对臂手集成系统进行操作控制，实现一种人机交互的图形仿真运动规划。 

实验研究 
自主操作部分 
* 开关按钮 
　　在由全局视觉确定的操作空间内，根据按钮的相对位置，启动局部视觉，跟踪定位按钮，并操作PUMA560和三指九自由度灵巧手以类人的姿态靠近按钮，同时系统实时检测接触力，一旦力达到足以启动按钮的阈值后，停止继续前进的按钮动作。 
* 拧亮灯泡，旋拧阀门 
　　在局部视觉导引下，精确定位实验操作平台上灯泡、阀门的位置，在启动灵巧手抓好灯泡或阀门后，机器人腕部和灵巧手可同时协调完成旋拧-松开-再旋拧-松开-旋紧等一系列操作。 
* 插孔装配操作 
  　本系统为很好地完成插孔操作采用了多项措施，如采用灵巧手的退化抓持代替灵巧抓持工件，保证抓持工作的稳定性，同心性和力度；采用视觉跟踪定位工件和插孔，保证插装精度，利用六维腕力传感器实时检测插装接触力，以保证系统的可靠性和安全性。 
* 抓杯倒水 
 
   本实验操作模拟空间环境下自主作业，首先完成从工作台水杯孔内抓持装满水的茶杯，然后在视觉引导的条件下精确地将之放到一块木块上，松开手，将杯子平稳地放在木块上。然后臂手协调运动，调整抓持位形，从侧面抓住水杯，并运动到下一个目标点，即一个空水杯的位置，臂手协调将水倒入这只空杯子中。然后，抓持着空杯回到木块处并将空杯放回木块上，再调整位形从正面抓住杯子抬起，最后运动到水杯抓起的起始孔处，将杯子插入该孔中。 

另外，系统还利用光纤接近觉传感器，在运动过程中实现防碰功能。 

仿真规划与在线控制     在视觉传感器引导下，在后台工作站上对臂手系统完成的各项操作进行任务了规划和轨迹规划,以抓持水杯、倒水过程为例说明： 
* 任务规划： 

　将水杯的抓持和操作分为两大任务、五个过程。 

两大任务是： 
（1）臂的运动：臂作为大范围工作平台运动到水杯/目标点附近，使水杯/目标点进入灵巧 
手的工作空间；（2）手的操作：手在其工作空间内，抓持/释放水杯。 
五个过程是：（1）臂从开始状态移动到水杯附近，手同时做抓持姿态准备；（2）手抓持水杯；（3）臂移动到目标点附近；（4）手释放水杯；（5）臂、手恢复原始状态。 

* 轨迹规划： 

　　在臂手移动阶段，需实现控制臂在操作空间内避碰并保证使接近水杯及目标点附近的轨迹可达,避免出现机器人和灵巧手运动的奇异状态，我们借助IGRIP软件的图形功能，通过变换视点，操作员可以直观地看到仿真实验环境中工作区的一切情况。借助鼠标在空间建立目标点，启动软件内置程序检测可达性和安全性，调整目标点直到满足轨迹规划要求。重复以上操作，上述目标点便构成了在工作区内的机器人轨迹，完成了轨迹规划。 

并发多进程数据通讯 

　　利用IGRIP可以方便、迅速地对机器人进行规划，当臂手系统的工作环境模型建立之后，IGRIP在仿真过程中可以生成的机器人控制数据（如关节角度、关节速度等），来作为机器人的精确指令。由于我们的IGRIP软件没有数据通信模块接口，很难直接实现PC(UNIX(IGRIP之间的数据通信。为此，我们研究开发了上述数据通信接口，以多进程方式将IGRIP中生成的数据实时地通过串行口传送出去。其中HP-UX下的c语言程序是IGRIP仿真程序的一个子进程，当有多个对象要与PC机发生数据交换时，如图形仿真数据在线控制臂手系统或遥操作机械臂和数据手套控制图形仿真，就会有多个通讯子进程同时运行，以进行有效的数据通信。 
基于图形仿真的在线控制 

　　 我们设计完成了利用仿真过程中数据在线控制臂手集成机器人的实验。实验中，臂手系统将绕过障碍物，在障碍物的另一端，并利用局部自主功能，抓持一个杯子，将杯子放在工作台的指定位置上。 

　　 规划过程中的关键点为子目标点p2,p3，p1为初始点，p4为目标点。调整子目标点的位置和姿态，使臂手系统可以无奇异地到达目标点。到达p4后， 给臂手系统协调控制单元发出“接近目标点”信号，臂手系统启动自主，在局部视觉的引导下完成抓持和放置水杯的任务。 
遥操作图形仿真人机交互接口 

　　 我们还研究了图形仿真人机交互技术，利用遥操纵机械臂和数据手套同时分别控制臂、手仿真图形。当臂手系统与环境物发生碰撞时，会发生颜色的变化，且可实现对物体（如水杯）的抓持。 
机械臂及数据手套的遥操作控制 

　　我们还利用自制的六自由度机械臂实时异构控制机械臂的运动，用自制的三指五关节数据手套遥操作灵巧手，由远程机械臂和数据手套的动作来控制PUMA560机器人和灵巧手完成相应的避障、抓杯等实验操作。为以后在此实验平台上开展有关空间机器人，遥操作共享控制等方面的研究提供了有效的实验平台。 

结束语 

　　我们开展这方面工作的出发点是提供一种机器人技术实验平台，从而可以进行多种实验研究，包括仿真规划和离线编程、利用局部自主控制完成环境模型修正、按动开关、拧转阀门和灯泡、抓持水杯、精细插孔装配、空间ORU操作以及远距离遥操作等，并且可以通过局域网络的数据通讯，实现基于图形仿真的在线控制，基于遥操纵臂和数据手套人交互操作的图形仿真和基于INTERNET网络上的遥操作控制等，进而把机器人技术进一步推向实际应用，服务于社会。 

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来源:游松 朱广超 丑武胜 王田苗 张启先 作者: 时间:2007/5/14 0:00:00