带力觉反馈的主从式遥微操作系统研制与实验研究

摘要

遥微操作技术是宏观遥控机器人技术在微操作领域的扩展应用,带力觉反馈的遥微操作不仅使得操作者直接参与微操作的控制,而且可实时感受微操作状态,有利于提高微操作的灵巧性、安全性和效率,是目前实现复杂微操作的主要手段,在微机电系统装配、生物工程操作以及微创手术等领域具有广阔的应用前景。本文在国家自然科学基金项目“智能微机电系统视觉/力觉/位移混合检测与控制技术”(项目批准号:50275078)的资助下,结合微操作/微装配的应用需求,开展了带力反馈的主从式遥微操作技术研究和系统平台研制,包括主手手控器的优化设计技术,带微力传感的微操作器的研制技术,遥微操作控制技术及实验验证等。论文的主要工作及创新点如下:
　　 1)对微操作器的微力传感技术进行了研究,设计研制出两种带力传感的微操作器--馓夹持器和探针式微操作器,并对其微力传感性能进行了实验和分析；
　　 2)对基于Delta机构的并联微操作手控器优化设计技术开展研究。首先针对带力反馈的微操作手控器的性能需求,提出了并联机构力传递能力的概念和表征方法,以Delta机构为例分析了力传递能力在工作空间的分布:以此为基础,提出了考虑力传递能力稳定性、运动性能和空间体积等多因素的手控器性能优化目标函数,对手控器进行了运动学分析、奇异分析和多目标优化设计；此外,还提出了一种手控器位置精度标定误差补偿方法,显著提高了其输出精度；
　　 3)研究了带力反馈的遥微操作系统的控制技术。首先,以带力传感的微夹持器为基础,设计了一个具有单自由度的力觉反馈的遥微夹持操作试验平台,实现了微夹持操作的力觉反馈,并通过试验分析主手和从手之间的位置跟踪、反馈力跟踪和时滞特性；其次,针对多自由度的力觉反馈遥微操作的控制要求,研究了遥微操作的临场感技术、系统的动力模型、控制方案及其实现技术；
　　 4)基于系统设计方案,研制了四自由度和三自由度的带力觉反馈的主从式遥微操作系统,并开展了手控器的重力补偿、力觉反馈遥微操作等一系列试验,验证了该力觉反馈遥微操作系统的有效性,同时也体现了依据该系统进行微操作的灵巧性。