主从遥操作机器人位姿态误差分析及力位补偿研究

摘要

主从遥操作机器人具有深远的应用价值，广泛应用于远程医疗、航空航天、深海探索、康复训练等众多领域。本文通过对课题组力反馈主手设计而对其进行位姿误差分析与补偿，并探究课题存在的附加力和附加位移两个主要问题，主要研究工作如下: 首先，基于主从遥操作设备而进行的位姿误差分析:主要以课题组现有设备WAM万用机械臂建立其运动学模型，分析末端参考点的工作空间，推导WAM万用机械臂位姿误差模型，并分析各个关节角度、机械臂结构的长度误差参数和角度误差参数对WAM万用机械臂末端参考点位置和姿态误差的影响，从而为提高主从遥操作机器人的位置和姿态的操作精度提供了可靠的依据，同时对该机器人进行位姿误差补偿，模拟仿真可知补偿效果良好。 其次，对力反馈主手PHANToM附加力的补偿研究:主要采用拉格朗日方程建立力反馈主手PHANToM动力学模型，然后分析附加力和附加位移耦合的原因，建立力反馈主手的重力、惯性力、摩擦力补偿模型，确定力反馈主手附加力补偿策略，最后对附加力矩和补偿力矩进行模拟仿真，消除了力反馈主手PHANToM动力学特性对操作者感知真实反馈力所造成的干扰，实现操作者对从操作手与环境接触产生的真实力觉临场感知，提升了主从遥操作机器人系统的透明性。 最后，对力反馈主手PHANToM进行附加位移补偿研究:通过分析力反馈主手PHANToM附加位移产生原因，模拟仿真力反馈主手产生的附加位移，求解80ms末产生的附加位移量，建立力反馈主手的“质量-弹簧-阻尼”系统的数学模型，确定了力反馈主手附加位移补偿策略，建立力反馈主手的附加位移补偿模型，为实现操纵者对从操作手运动位置的精确遥操作奠定了数理基础。

目录

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摘要

第一章绪论

1．1概述

1．2主从遥操作机器人综述

1．2．1主从遥操作机器人系统简介

1．2．2主从遥操作机器人研究现状

1．3存在的问题

1．4课题来源及主要研究内容

第二章基于WAM机械臂的位姿误差分析与补偿

2．1引言

2．2主从遥操作机器人运动学分析

2．2．1机器人运动学数理基础

2．2．3 WAM机械臂运动学建模

2．2．4力反馈主手PHANToM运动学建模

2．3工作空间分析

2．3．1蒙特卡洛原理简介

2．3．2 WAM机械臂工作空间仿真

2．3．3力反馈主手工作空间仿真

2．4主从遥操作运动学映射

2．5机器人位姿误差建模

2．5．1机器人位姿误差影响因素

2．5．2机器人位姿误差模型

2．6 WAM机械臂位姿误差分析

2．6．1各个关节对位姿误差的影响

2．6．2机器人结构参数误差对位姿误差的影响

2．6．3位置误差分布空间

2．7 WAM万用机械臂位姿误差补偿

2．7．1补偿原理

2．7．2补偿仿真

2．8本章小结

第三章力反馈主手附加力补偿研究

3．1引言

3．2主手附加力产生原因

3．3主手动力学建模

3．4摩擦力处理

3．4．1摩擦特性

3．4．2摩擦力模型确定

3．5动力学模型线性化

3．6主手附加力补偿

3．6．1主手动力学参数验证

3．6．2主手附加力补偿策略

3．6．3主手附加力补偿模型

3．7附加力矩与补偿力矩仿真

3．8本章小结

第四章力反馈主手附加位移补偿研究

4．1引言

4．2主手附加位移产生原因

4．3主手附加位移仿真分析

4．4主手附加位移补偿方法

4．5主手附加位移补偿模型

4．6本章小结

第五章全文总结及展望

5．1全文总结

5．2未来展望

参考文献

发表论文和参加科研情况

致谢