寂静回声 发表于 7 小时前

第一传奇:主从机械手发明人Raymond C. Goertz

核工业存在严重放射性介质的环境,遥操作机器人和机械臂成为核工业不可或缺的一种工具。核原料生产和处理中广泛应用的基础设施为热室(Hotcell),热室内部环境相对而言更恶劣,存在极强的辐射活性物质及强腐蚀气氛环境,因而热室是主从机械臂广泛应用的场所。

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主从机械手由操作手把、主动臂、穿墙管、从动臂、夹钳及平衡系统等部件组成,,它可以手动实现七个独立运动,包括X向、Y向、Z向三个直线运动,方位旋转、夹钳俯仰、夹钳扭转三个旋转运动和夹紧运动。
某些机械手同时还能实现X向、Y向和Z向三个方向的电动调整运动, 以增大机械手的操作范围。

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Raymond C. Goertz(1915年3月12日-1970年6月4日)是一位美国机械工程师,也是机器人领域的早期先驱,尤其专注于遥控机器人。
1949年,他在阿尔贡国家实验室为美国原子能委员会工作期间,申请了一项早期主从式机械手的专利(美国专利号 2,632,574),用于操作放射性材料。
Goertz认识到将操作装置通过电气方式联动的价值,为现代遥操作机器人(tele-robotics)以及双向力反馈位置伺服机构奠定了基础。
Goertz还对远程操控实现平滑运动所需的自由度进行了早期研究,并开发了最早的头戴式显示器之一,作为虚拟现实的原型。此外,他还把“俯仰”(pitch)、“偏航”(yaw)和“滚转”(roll)等航海术语引入了机器人学的术语体系中。
Raymond C. Goertz于1915年3月12日出生于堪萨斯州Clearwater, 。他是Norma E. Goertz)与Flora (Saint) Goertz的儿子,有一个姐姐Mrs. Thelma Main,以及两个兄弟Lynn Goertz和Lee Noble。
1940年以优异成绩毕业于蒙大拿州立学院(Montana State College),获得理学学士学位。
1942年开始在布鲁克林理工学院(Polytechnic Institute of Brooklyn)攻读研究生课程,并一直学习至1946年。
1947年,Goertz移居伊利诺伊州,并于1947年至1949年间在伊利诺伊理工学院(Illinois Institute of Technology)完成其研究生学业。


1940年至1947年期间Raymond C. Goertz在Sperry陀螺仪公司的伺服机构实验室(Servomechanisms Laboratory)担任项目工程师,同时在布鲁克林理工学院(Polytechnic Institute of Brooklyn)攻读研究生课程。
1947年,Goertz移居伊利诺伊州,开始在阿尔贡国家实验室(Argonne National Laboratory)担任机械工程师,并在此期间继续在伊利诺伊理工学院(Illinois Institute of Technology)完成研究生学业,直至1949年。此后,他成为阿尔贡国家实验室遥控工程部门的一名高级工程师。
在1955年和1958年举行的第一届和第二届“国际和平利用原子能大会”上,Goertz作为美国代表团成员参会。



在其职业生涯中,Goertz曾是美国核学会、美国化学工程师学会以及电气与电子工程师协会(IEEE)的会员。
Goertz的主要工作和成就集中在主从式机械手装置的开发与改进上,此外,他还投入时间开展基础研究,探索远程操控实现平滑运动所需的自由度。他通过开发最早的头戴式显示器之一,制作了虚拟现实设备的初步原型。
为推动该领域的发展,Goertz还对相关术语进行了系统化整理,使高校和工业界的研究人员能够复现并进一步贡献于这一领域。他还将“俯仰”(pitch)、“偏航”(yaw)和“滚转”(roll)等航海术语引入机器人学术语体系中。


位于明尼苏达州Red-Wing的中央研究实验室公司(Central Research Labs)是在Goertz的努力和技术成果基础上创立的。该公司为26个不同国家的机构生产了超过8,000台主从式机械手。1953年,Goertz被Demetrius Jelatis接替,不再担任中央研究实验室的负责人。

如今,遥操作(teleoperation)的目的已远远超出最初仅限于安全防护的范畴,其应用包括进入太空或深海等远程环境,以及在手术或制造过程中操控极大或极微小的物体,用途十分广泛。
主从式机械手的目标是在保护工作人员免受辐射危害的同时,实现对材料的精确操控。该装置可视为两个独立的部分:“从臂”(slave arm)和“主臂”(master arm)。“从臂”响应于控制装置“主臂”的操作,其优势在于可通过远程操作完成原本需要人工直接干预的手动任务。在核设施中,“从臂”通常置于热室(hot-cell)内,而“主臂”则位于控制室内。每当操作者移动主臂时,从臂会精确复现相同的动作。


Goertz在阿尔贡国家实验室工作期间,开发了主从式机械手,用于安全处理来自Hanford100-B钚反应堆的危险材料。
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ANL E3型电动主从操纵器的安装示意图
1948年他设计了最初的主从式机械手装置,这是一种具有七个自由度的双向(对称式)金属带传动缩放仪(pantograph)装置,操作者通过铅玻璃墙进行操控。
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1949年,Goertz为一种机械式双向主从机械手申请了专利;
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1951年,他进一步改进了这一设计,推出了首个遥操作关节臂,其主从臂之间通过钢制滑轮和缆绳实现机械耦合。这成为力反馈技术发展史上的一个重要里程碑,此类设计的衍生形式至今仍在使用。
Goertz逐渐意识到,在操控精细物体时,触觉(haptic senses)至关重要,因此他采用力反馈系统来提升人机协同操作的灵巧性。通过引入控制论(cybernetics)的原理,戈茨成功研制出首个电动式主从机械手系统。
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1954年,一种改进型的主从机械手(CRL Model 8)已投入商业化生产。
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为了制造高精度的主从机械手装置,Goertz提出了一系列设计原则,这些原则至今仍适用于现代机器人外科手术系统。具体如下:
从臂必须具备六个独立的自由度:包括三个平移自由度和三个旋转自由度,用于精确定位夹持装置,此外还需一个夹钳挤压动作以实现抓取功能。
从臂的运动必须与主臂耦合,使得两者的位姿(位置与方向)始终保持对应关系。
主从臂之间的耦合必须是双向的(bilateral):这意味着从臂端所受到的力必须能反馈至主臂端,同时从臂端产生的位移也应能在主臂端体现出来。此外,从臂应能根据任务施加的约束条件自动调整自身姿态,实现自适应对齐。

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自1960年起,Ray Goertz与其在阿尔贡国家实验室(Argonne National Laboratories,ANL)的团队受美国国家航空航天局(NASA)委托,为“阿波罗”登月太空计划制定遥操作器的配置方案。
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需要指出的是,浮动式载具(如航天器或水下航行器)存在一个共性问题:它们无法相对于必须操作的目标物体保持静止。因此,除了用于直接执行任务的主操纵臂外,这类载具通常还配备有对接臂,用以将其自身固定在目标物体上——无论该目标是另一颗卫星,还是海底石油平台。



1967年Goertz荣获宾夕法尼亚州费城富兰克林研究所(Franklin Institute)颁发的Edward Longstreth Medal。
1969年他获得美国核学会(American Nuclear Society)颁发的辐射工业奖(Radiation Industry Award)。
1985年,美国核学会设立了Ray Goertz Award,用以表彰和嘉奖在遥操作技术领域作出杰出贡献的会员。

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迷茫的维修 发表于 6 小时前

最开始是液压的,经常出问题,漏油,后来淘汰了
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