寂静回声 发表于 3 天前

第一传奇:第一款伺服遥操作机械手

在科幻电影中,我们常常看到人类通过控制机器人替身在危险环境中执行任务的场景。《阿凡达》中,主角通过神经连接控制基因工程创造的纳美人身体;《环太平洋》里,驾驶员通过"通感"控制巨型机甲。
现在这项技术更多准备应用在人形机器人上,人形机器人远程操控(Teleoperation)是指通过各种接口设备,让人类操作者能够远程控制人形机器人,并通过机器人感知远程环境信息。这项技术也被称为"远程存在"(Telexistence)或"远程呈现"(Telepresence),允许人类"虚拟存在"于远程位置,通过机器人替身体验实时感觉。
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在将近70年前,1958年,通用电气与美军合作发明了一款名为巧手先生(Handyman)的机械臂。
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通用电气工程师Ralph Mosher)参与了巧手先生的开发,这款机械臂通过导线与控制者的服装连接,控制者穿着服装作出一个动作的时候,巧手先生也会模仿作出同样的动作。但这时候因为没有使用伺服系统,所以导致操作者的动作幅度与机械手一模一样。
Edwin Johnsen在1966年发表的《远程操作的人类操作员模拟器》(Human-Operator Simulator for Remote Manipulation)首次提出“遥操作器”(teleoperator)这一广为流传的术语,用以描述一种并非与操作员的对应机械臂直接相连、而是通过伺服系统进行控制的操纵装置。
1971年10月14日美国海军拟人化遥操作装置(NAT)由加利福尼亚州圣拉蒙市的MBAssociates公司根据海军、NASA与原子能委员会(AEC)的联合合同研制。

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从动机械臂与三维电视系统安装在三脚架上,操作员Donald F. Adamski位于照片右侧,身着外骨骼主控制器。
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该装置由MBAssociates公司(MBA)在九个月内研制完成,资金由美国海军提供,并由NASA/空间核动力办公室(SNPO)管理。
NAT 是一套机电–液压–气动混合式、9自由度(DOF)的人体等效系统,在灵巧性、活动范围和力量方面均与人类手臂相当。系统采用位置伺服控制,并在手部抓握环节集成比例式力反馈,在肘部则采用阶跃式力反馈,主控制器为全运动范围的外骨骼结构。
该系统专为军械处理和精细子母弹药的拆解(排爆)任务而设计,合同规定的设计要求包括:动作异常平滑且高度可控、使用非磁性材料、无电磁辐射(EMI)、可在水下运行、适用于沙滩及沙漠环境、主从端之间具有高度保真的运动映射(高 pantographic 保真度)、结构坚固且可靠性高。



从动机械臂采用半硬壳式(semi-monocoque)结构,因此成为首个单个关节可举起重量(20磅)超过自身总重(16磅)的系统。
其夹持器既能执行极其精细和微小的操作,也能抓取直径最大达7英寸、重量高达20磅的球体、锥体和圆柱体。
该系统还采用了便于扩展的设计:可轻松加装远程快拆装置用于爪具,并能便捷地改装为可逆式电动驱动系统,比如采用直流力矩电机、齿轮减速器和滚珠丝杠执行机构。
其运动学结构除在腕部万向节之外增加了连续旋转的夹持器滚动自由度外,其余部分完全复现了人类手臂的结构。
该系统专为低成本批量生产而设计,在产量达到40台或以上时,单位成本显著降低,尽可能采用市售现货(off-the-shelf)商用组件。凭借上述特性,NAT 已确立了伺服控制遥操作系统的全新技术标杆。

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1971年7月22日,为NASA、美国海军、原子能委员会(AEC)及麻省理工学院(MIT)相关人员举行了一次中期性能演示。该机械臂在演示中成功完成了抓取和提起重达20磅的大型测试物体、穿普通家用缝衣针、拿取生鸡蛋、从螺栓上拆卸并重新安装螺母,以及从印刷电路板上更换小型电子元件等任务。这些表现使该装置(ARM)赢得了“迄今为止所开发的最先进的遥操作系统的”声誉。上述所有操作均通过立体电视(3D TV)视觉系统完成;其中穿针、微调电位器(trimpot)以及运算放大器相关操作若无该立体视觉附件则无法实现。
1971年10月,右臂的全套系统测试圆满完成。测试内容包括:在约8米(25英尺)深的海水中浸没运行、在–18°C(0°F)至59°C(120°F)温度范围内的操作,以及在沙尘暴环境中的运行。此前所述的灵巧操作任务在测试中再次成功复现;此外,近期还完成了打开挂锁、拆除并解除一枚模拟自制爆炸装置,以及排爆一枚埋设的(惰性)标准地雷等更复杂的任务。






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