第一传奇：主从机械手发明人Raymond C. Goertz

寂静回声

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。



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。




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。

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。

1949年，Goertz为一种机械式双向主从机械手申请了专利；

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。

1954年，一种改进型的主从机械手（CRL Model 8）已投入商业化生产。


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。



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。

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。

迷茫的维修

最开始是液压的，经常出问题，漏油，后来淘汰了