基于三平动自由度并联力觉主手的通用力感模型研究

摘要

近年来，主操作手（主手）的力（力矩）反馈技术正逐渐成为决定主从控制遥操作机器人精确性以及可靠性的一个关键性因素。相对于视觉临场感与听觉临场感，由于对力觉主手的力反馈算法的研究相对较少，进而导致主手的力觉临场感技术发展相对较为滞后，故对力（力矩）反馈型主手的力感觉算法以及通用力感模型进行研究必将对临场感技术以及主从遥操作机器人系统自身的发展起到积极的推动作用。
　　本文结合国内外的串联、并联型力觉主手力（力矩）反馈技术的研究现状，以3-RUU并联力觉主手为例，分别建立了考虑各个连杆重力条件下的静态力感模型（静力学）与动态力感模型（动力学）。此外，基于上述3-RUU力觉主手静态力感模型各部分物理意义的进一步分析，提出一种用于3平动自由度并联力反馈主手力感模型分析的新方法“非对称质量分配法”，并给出了各个杆件以及动平台重力对主动关节力矩的重力影响系数矩阵，进而建立了一种通用的静态力感模型。本文的主要工作内容安排如下：
　　首先，基于分析力学理论，通过对3-RUU并联主手各个杆件进行受力分析，建立了该力觉主手低速运动时的静态力感模型；接着，运用动力学仿真软件ADAMS对其进行了静力学仿真验证。为充分考虑摩擦力对力反馈精度的影响，运用ADAMS软件进行了考虑各关节摩擦条件下的静力学仿真，并得到了在螺旋线轨迹下两者的力矩误差值。
　　其次，基于动力学普遍方程理论以及Lagrange方程，求得了3-RUU力觉主手高速运动条件下的动态力感模型，并运用动力学仿真软件ADAMS对其进行了动平台给定运动轨迹条件下的动力学仿真验证；此外，求得了在给定轨迹条件下静态力感模型与动态力感模型之间的力矩误差以及力矩误差百分比。
　　接着，通过对3-RUU力觉主手的静态力感模型各个部分物理意义的进一步分析，提出了用于3平动自由度并联力觉主手的力感分析方法“非对称质量分配法”，进而建立了一种通用力感模型。考虑到上述方法与主手的铰链联接无关，故可用于其他同类的力觉主手。
　　最后，以一种类似于Omega.3的并联力觉主手样机为例，对其进行了力感觉试验，验证了基于非对称质量分配法的通用力感模型在这种力觉主手上的正确性；此外，以Delta.3并联力觉主手为例，对其进行了力感仿真，结果验证了这种通用力感模型在该主手上的正确性。

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第1章 绪论

1.1 课题目的及意义

1.2 力觉主手与力感觉技术发展概况

1.3 课题来源及主要工作内容

第2章 3-RUU并联主手静态力感模型以及仿真分析

2.1 概述

2.2 3-RUU并联主手整体受力分析

2.3 被动杆力分析

2.4 主动杆力分析

2.5 3-RUU并联主手静态力感模型

2.6 静态力感模型的仿真分析

2.7 本章小结

第3章 3-RUU并联主手动态力感模型以及仿真分析

3.1 概述

3.2 3-RUU并联主手的动能与势能

3.3 主手的动态力感模型

3.4 仿真分析

3.5 并联主手静态力感模型与动态力感模型的仿真对比

3.6 本章小结

第4章 非对称质量分配法的提出与通用力感模型的建立

4.1 概述

4.2 一种用于三自由度平动并联主手的通用力感模型

4.3 非对称质量分配法的提出

4.4 本章小结

第5章 基于非对称质量分配法的通用力感模型的通用性验证

5.1 非对称质量分配法在一种类似于Omega.3样机上的力感实验验证

5.2 非对称质量分配法在Delta.3主手上的的静态力感仿真验证

5.3 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发的论文和取得的科研成果表

致谢

附录