文摘

触觉反馈系统要求协助telerehabilitation机械手。系统应提供反作用力测量机器人操作员。在这篇文章中,我们已经开发出一种力反馈装置,提出了一种反作用力的远端部分运营商的拇指,中指,中指的基节当机器人的手抓住一个对象。设备使用形状记忆合金作为致动器,它提供了一个非常紧凑,轻便,而准确的设备。

1。介绍

各种仿人机器人的手已经发展到目前为止。犹他州/麻省理工学院灵巧手四个手指有四个关节肌腱驱动电缆和触觉传感器在整个表面(1,2]。岐阜手有五个手指和20个关节与16个自由度(自由度)[3],KH铸字20年代有五个手指和关节有15自由度(4]。最近生产的,机器人的手把multiaxis /力扭矩传感器和触觉传感器与导电油墨和相对较轻。TWENDY-ONE手有四个手指和13和16个关节自由度(5]。这个机器人的手配备传感器和波束触觉传感器的基础力量。本田汽车有限公司,开发了一种多点机器人的手,五指和20个关节和13个自由度(6]。每个自由度液压驱动,机器人触觉传感器在整个表面。AIST也开发了一种多点机械手用4的手指与13和17个关节自由度由电子伺服电动机驱动(7]。巨大机器人的手还采用多轴在指尖力/力矩传感器。许多其他机器人的手已经开发和研究8,9]。我们也报道了通用机器人的手我10和二世11]。

tele-rehabilitation系统接收关注医疗由于缺乏康复治疗师(12]。tele-rehabilitation系统与机械手康复治疗师可以凭直觉。然而,通常是一个指令系统无法给人类的触觉和触觉信息运营商因为传统的遥操作系统缺乏一个反馈系统。很难完成任务或控制各种操作没有灵巧的触觉和触觉信息;因此人类操作员错误因为没有触觉反馈。因此,许多触觉设备开发,使人类操作员感受到力量。触觉设备分为三种类型根据其机械接地配置(13)包括接地类型(14- - - - - -19),nongrounded类型(20.- - - - - -24),和body-grounded类型(25,26]。接地触觉设备容易提供重量感觉或三维(3 d)部队,但也是有限的,因为它是固定一个静态的对象如表或地板上。nongrounded触觉装置包括一个内部机制。内部地面作为反抗基地创建线性或角动量,因此,机械设备很容易重新定位,因为它是无根据的。然而,无根据的设备不能在多个方向产生一个大的力量或维持连续的刺激。body-grounded触觉装置是一种可穿戴。这些设备架和安装在人类的运营商,作为反抗基地或点打动人类操作员的力或力矩。可穿戴的触觉设备提供一个广泛的运动和力量。然而,对于这类设备是可用的,他们必须小而轻。当一个人打开一扇门或拿起一个对象,同时手掌和手臂的移动允许工作空间和范围广泛的运动。 A human also demands a greater force when a solid object like a glass is grasped. Therefore, the body-grounded haptic device is a preferred in applications involving grasping objects while maintaining feeling using tele-operation because it provides a wide workspace and considerable force in many directions.

在本文中,我们开发了一种叫做ExoPhalanx竖起两指的body-grounded触觉装置。ExoPhalanx提供力的远端部分人类操作员的拇指和中指,中指的基节。这里,ExoPhalanx礼物只有单向的迫使人类操作员因为触觉设备变小了,小和山轻量级为了人类的手。触觉装置的性能测量用两手指抓住指令试验通用机械手ExoPhalanx II和触觉装置。

本文的其余部分安排如下。介绍了触觉设备部分2。机器人的手指令系统与发达触觉设备中描述部分3。初步实验显示的基本性能的SMA离合器制动器ExoPhalanx和把握实验的结果提出了两个手指4。最后,提出了本研究的结论部分5。

2。触觉装置

发达触觉设备ExoPhalanx如图1。ExoPhalanx是作为一个被动的力反馈装置。这个设备是可穿戴的和安装以上动作捕捉数据手套服使用收紧腰带。这里,body-grounded触觉装置可以创建指导部队的错觉足够的定位和分布接地部队(27]。外骨骼ExoPhalanx由一个拇指,中指外骨骼,manifer外骨骼。拇指外骨骼由一个远端指骨和近端趾骨戒指。中指外骨骼由远端指骨,中间指骨戒指,和一个近端趾骨戒指。的近端趾骨环外骨骼拇指和中指外骨骼的操作员的手指近节指骨的。manifer外骨骼腰带在运营商的手掌和前臂。本设计利用这一事实指尖机械更敏感比近节指骨,前臂和手掌28]。

2.1。SMA离合器制动器

安装在ExoPhalanx SMA离合器制动器,制成弦SMA。当病人SMA加热转变温度,缩短。另外,当它冷却转变温度下,延长到原来的大小。SMA是灵活的,直径是150μm。在这里,SMA是用作离合器制动器,如图2。加热SMA收紧力传动线引起的摩擦力线。给出了摩擦力的力量人类操作员。SMA是使用电加热,因为SMA电阻~ 300Ω/ m。的冷却状态SMA是基于自然冷却过程。

SMA离合器制动器的简化驱动电路利用脉冲宽度调制(PWM)作为加热方法。的PWM方波电压适用于责任比例。单位时间内热量如下, 在哪里,,是热量,应用电流,分别和外加电压。在(1),代表方波的周期时间,的时间应用在一个波电压,负载比,,被定义为。

SMA离合器制动器的尺寸和重量是1毫米³和11 g。图3显示了抓着的离合器制动器使用测力计测量fgp - 0.2 (Nidec-SHIMPO公司)在不同的责任比例。根据图表,抓住力几乎与责任比例比例关系。

2.2。拇指外骨骼

拇指外骨骼由远端指骨,近端趾骨环和拇指manifer如图4。CM力传动线是用于外骨骼。导线的一端固定在远端指骨,另一个是免费的。线跟踪运营商肌腱的拇指和通过近端趾骨戒指。CM SMA离合器制动器是放在拇指manifer。电线幻灯片通常与IP和弯曲,MP, CM人类拇指的关节,除非是在这种情况下,线停止和抑制弯曲的拇指。

2.3。中指外骨骼

中指外骨骼由远端指骨,中间指骨戒指,和一个近端趾骨环如图5。中指外骨骼包含两个力传输电线,它被用于限制人类中指弯曲的倾向节理和议员联合或倾斜力传动线和MP传输导线,分别。浸力传输导线的一端固定在远端指骨部分,另一个是免费的。同样,议员力传输导线的一端固定在近端趾骨环,另一个是免费的。

浸渍和MP力传输电线遵循人类的肌腱的中指。倾力传动线通过浸SMA离合器制动器在近端趾骨环和下议员SMA离合器制动器。议员力传输导线进入议员SMA manifer离合器制动器。倾斜的倾斜线幻灯片,PIP联合旋转。的议员线幻灯片bend-stretch议员的旋转关节。浸渍SMA驱动离合器制动器时,运营商DIP-PIP关节弯曲是锁着的。当议员SMA离合器制动器离合器MP线,操作员议员关节弯曲是锁着的。远端上安装了一个loadcell方阵外骨骼措施运营商的中指指尖力量。操作员弯曲中指将loadcell,中指指尖上的力的措施。

3所示。机械手和触觉装置操控系统

图6显示了机械手与发达ExoPhalanx指令系统设备。机械手的指令系统包括子系统与通用机械手II,动作捕捉子系统与服和这是一个出名的运动捕获数据手套,和力反馈子系统与发达ExoPhalanx设备。机械手的指令系统,第二通用机械手的运动控制操作员的手以动作捕捉子系统。然后,ExoPhalanx给反应部队的运营商力反馈子系统。

3.1。机械手子系统与通用机械手

这个子系统通用机械手的运动控制的PID控制和获得的力触觉测量。通用机械手II有五个可移动的手指和手掌,如图7。拇指长195毫米,其他手指230毫米长有四个关节。各关节驱动使用小型直流电机和旋转编码器和减速齿轮(由谐波驱动系统。有限公司)构建到每个链接。此外,两个指尖关节,关节3和4,开车在平等的比率作为一个人的手指,所以每个手指都有三个自由度。每个手指都有多轴力/力矩传感器(由提单AUTOTEC, Ltd .)的远端连接手指手掌表面和波束触觉传感器的手指,如图8。在这里,多轴力/力矩传感器用于检测远端指骨的连接对象和波束的触觉传感器用于检测的近端指骨的连接对象。

3.2。动作捕捉与服和子系统

这个子系统措施使用服和运营商的姿势。测量操作符的姿势被发送到机械手子系统通过网络。服有三个手指弯曲传感器每4绑架传感器,palm-arch传感器,传感器测量手腕弯曲和绑架。在这里,这个子系统利用传感器值关节,因为除了泡的PIP关节关节和通用机械手同步像人类的手指。

3.3。力反馈与ExoPhalanx子系统

ExoPhalanx人类操作员穿,这是安装在服。ExoPhalanx作品为了抑制人类的手指接触力测量显示多轴力/力矩传感器和波束相对触觉传感器的通用机械手。在这里,多轴力/力矩传感器措施的指尖上的接触力,和触觉传感器测量接触力的手掌表面近端指骨。如果拇指和/或机械手的中指指尖接触的对象,然后ExoPhalanx控制电脑驱动器CM和/或SMA离合器制动器。同样,如果中间的近端趾骨机器人手指接触的对象,然后ExoPhalanx控制PC驱动议员SMA离合器制动器。因此,人类操作员不能拇指和中指弯曲。

4所示。实验

ExoPhalanx的性能是通过两个实验验证。第一个是离合器制动器试验用来证实SMA离合器制动器的性能。第二个是两个手指抓住实验用来评估触觉反馈性能。这里的占空比控制SMA离合器制动器是固定在这些实验中,因为它是难以控制的力向操作员通过改变责任比例。

4.1。离合器制动器实验

确认触觉SMA离合器制动器的性能,初步实验执行。在这个实验中,我们证实SMA离合器制动器是否可以阻止人类的运营商弯曲他/她的手指。

人类操作员穿服和ExoPhalanx弯曲倾斜和皮普中指的关节。服和抓住了运营商的姿势。在这个实验中,操作员弯曲关节超过20°,理论上导致ExoPhalanx停止相应的力线传播。如果操作员感觉足够的力量在指定的关节,然后操作员延伸中指。浸渍关节角的变化,迫使人类操作员的数据所示9和10,分别。图10包括责任比例的变化的实验。离合器制动器的试验中,操作员承认他们倾向节理由ExoPhalanx锁和延伸他们的中指。然而,如果运营商倾斜关节弯曲超过20°,SMA离合器制动器停止下滑力传动线因为力传动线放松。

4.2。不知道把握实验

不知道把握实验是用来评估的触觉反馈性能ExoPhalanx如图11。抓住对象的聚苯乙烯球直径150毫米大小的类似于棒球。

开车的占空比是常数SMA离合器制动器。操作员然后操纵第二通用机械手使用以下协议:(1)操作员伸展所有的手指。(2)前面的球设置通用机械手。(3)操作员远程操纵机器人的手拇指和中指抓住球的指尖机械手。(4)操作员继续弯曲手指,直到反应部队在他们的指尖从ExoPhalanx感受。(5)如果操作员感觉足够的力量,他们释放球。

这个实验实现两次实验是软的和强大的把握。

数据12和13显示的结果不知道把握实验。IP、议员和CM拇指的关节角机械手和运营商数据所示12(一个),12 (b),12 (c),分别。浸渍和议员中指的关节角机器人和操作符数据所示(13日)和13 (b),分别。从这些数字,机器人的手抓住球与CM联合37°机器人的拇指和机器人的倾向节理在20°中指。尽管机器人的手抓住球,操作员的CM联合拇指和中指的关节伸到机械手的关节角。这是因为力传动线松开离合器制动器实验相类似。数据14和15显示力测量机器人的手,操作员的手,分别。操作员的手的力量是衡量ExoPhalanx loadcell装备。在数据14和15机械手的最大力量和操作员的手约0.2和1.5 N在软抓取实验,和那些最大力量约0.4和2.0 N在努力把握。

5。结论和未来的工作

5.1。结论

本文提供的反应部队使用触觉反馈装置允许重要的科学进步的远程操作机器人的手和巧妙地。我们开发了被动ExoPhalanx力反馈装置。ExoPhalanx是一个小型和轻型设备,使用一个SMA-fitted离合器制动器。发达ExoPhalanx提供反作用力远端指骨和近端趾骨远程操作符。此外,在指令系统,ExoPhalanx安装动作捕捉数据手套,服。ExoPhalanx指令系统应用程序的有效性是通过初步实验验证的。

5.2。未来的工作

未来的工作包括改善SMA离合器制动器,成比例地控制和减少外骨骼的每个环节之间的强烈反对。此外,我们将开发一个指尖力呈现给操作员的控制方法和现在的力根据测量力通用机械手ExoPhalanx II。最后,提出ExoPhalanx系统将扩展到五个手指。