结合触觉力反馈与变形可视化的柔性机构设计分析

摘要

触觉力反馈技术在传统的机器人领域加入了“人”的参与作用和反馈感受，实现了远程和虚拟环境下设计者参与的触觉交互，主要用于在三维物理空间内对远程/虚拟对象进行操控。触觉力反馈技术是多学科交叉生成的前沿技术，融合了计算机科学、计算机图形学、自动化技术、信息技术、机器人和人机控制等多技术学科知识，被广泛应用在计算机辅助设计、计算机辅助外科手术和计算机辅助装配等领域。力反馈技术的实现过程中，实时的视觉仿真是相辅相成的，带有触觉反馈的可视化技术必须实时获取变形数据并反馈给环境以达到视觉触觉的协调一致。虽然力反馈技术可在不同领域显示出其不可比拟的优势，但本文的目的不是寻找某一特定应用下的力反馈可视化求解，却从基础的科学研究出发，对三维空间内全局大变形柔性体“实时交互”过程中的变形可视化和力反馈问题进行探讨。
　　论文围绕柔性机构大变形下的实时力反馈可视化的实现，从数学建模、快速求解、硬件交互、实例验证和应用等方面展开研究，主要章节内容如下:
　　第一章介绍了触觉力反馈技术的研究背景和发展前景，综述了柔性机构设计分析的研究现状，引出结合触觉力反馈与变形可视化的柔性机构设计分析的研究必要性及应用背景。阐述了本文的研究目的、意义和主要研究内容。
　　第二章分别在全局坐标系和变形局部坐标系下对比建立了非线性柔性杆件形变基本模型。借助独立于坐标系的空间曲率来描述曲线的弯曲和扭转特性，完整表征对象的几何形状。对柔性梁的姿态，扭转角，位移和力学性能等特征参量分别进行对比建模，得到两种坐标系下的变形模型。
　　第三章在第二章的基础上，提出柔性机构实时变形的曲率模型解耦方法。具体为:建立一种通用世界坐标系下的降维离散状态空间模型，基于曲率的结构变形模型方法有效地把形状变量从13阶非线性方程中解耦，使得柔性体力矩与形状变量方程可以并行运算，满足变形可视化所需的实时计算。
　　第四章针对力反馈应用的实时需求，提出了柔性机构力反馈的动态力位映射技术。以悬臂梁锁紧件作为典型柔性机构的研究对象，提出了基于接触问题的非线性力位关系求解方法，实现了分段函数描述的复杂形状柔性体的反馈力计算。同时，建立悬臂梁锁紧件装配件动态移动过程中的实时力位映射，为触觉实景体验提供了可嵌入式的实时力反馈算法。
　　第五章提出结合触觉评估的柔性机构设计分析，实现虚拟环境下带有用户真实触觉体验的柔性机构设计优化流程。商用Phantom力反馈装置以触针作为目标对象的载体，可在1KHz的高频下检测其位置信息，虚拟环境下再现悬臂梁锁紧件插入元件移动过程中的反馈力信息。通过将柔性机构动态力位映射关系内嵌于永磁球形马达数据接口，将其扩展为多自由度力反馈设备。该基于球形链接的装置通过位移/扭转角的双变量实时检测，有效克服传统串并联结构造成的受力不连续问题，使球形马达力反馈装置更柔滑地模拟人手操作过程。
　　第六章采用两个实例进行验证分析。第一个实例将离散状态空间模型与实时计算方法应用在桥梁检测智能小车的设计分析中，提出新的设计，使其在有限三维空间内可自由弯曲和扭转。通过与有限元分析和实验测量等离线分析结果结合，实现了复杂工况（如翻越弯角）下变形可视化的求解验证;第二个实例将悬臂梁锁紧件力反馈的动态力位映射关系嵌入到硬件力反馈设备Phantom的底层数据接口，进行虚拟环境下人机交互的触感操作实验。实验证实虚拟环境下结合触觉力反馈的柔性机构设计方法可设计满足用户需求的实用产品。在此基础上，将柔性机构反馈力求解模型内嵌于永磁球形马达数据接口，从而更真实地模拟了带有触觉反馈的多维悬臂梁锁紧结构的插套装拆过程。
　　第七章为总结与展望。概括了论文的主要研究内容和创新点并提出可进一步深入完善的研究方向。
　　本研究工作在面向动态力反馈和变形可视化的柔性机构实时求解模型及触觉力反馈装置的设计应用等方面积累了一定的成果和经验，为柔性机构触觉力反馈技术的深入研究奠定了基础。

目录

声明

致谢

摘要

图目录

1 绪论

1．1 引言

1．2 柔性机构设计分析的研究现状

1．2．1 柔性机构设计的研究现状

1．2．2 柔性机构分析的研究现状

1．3 研究的应用背景

1．4 论文主要研究内容与组织结构

1．5 本章小结

2 非线性柔性机构形变基本模型

2．1 引言

2．2 坐标系

2．3 空间曲率

2．4 两种坐标系下的姿态方程

2．4．1 局部坐标系下的姿态向量

2．4．2 全局坐标系下的姿态向量

2．5 两种坐标系下的扭转角方程

2．5．1 局部坐标系下的扭转角

2．5．2 全局坐标系下的扭转角

2．6 两种坐标系下的位移方程

2．6．1 局鄙坐标系的位移方程

2．6．2 全局坐标下的位移方程

2．7 力学性能方程

2．8 本章小结

3 柔性机构变形曲率模型的实时解耦方法

3．1 引言

3．2 三维柔性机构曲率模型解耦方法

3．2．1 状态空间表达的曲率模型

3．2．2 离散线性化的状态空间曲率模型

3．2．3 曲率模型沿路径的离散化求解

3．2．4 面向变形可视化的求解结果

3．3 二维柔性机构的曲率模型及求解

3．3．1 两种不同坐标下的对比曲率模型

3．3．2 全局坐标系下曲率模型的解耦求解

3．4 本章小结

4 柔性机构力反馈的动态力位映射技术

4．1 引言

4．2 柔性机构非线性变形模型下的力位映射

4．2．1 基于接触问题的反馈力求解模型

4．2．2 悬臂梁锁紧件插套的变形模型力位映射

4．2．3 悬臂梁锁紧件插套的有限元接触分析

4．3 柔性机构实时变形模型下的力位映射

4．3．1 柔性机构曲率模型解耦的实时反馈力求解

4．3．2 悬臂梁锁紧件实时动态力位映射

4．3．3 悬臂梁锁紧件装拆过程的力位映射

4．4 本章小结

5 结合触觉评估的柔性机构设计分析

5．1 引言

5．2 结合触觉力反馈的一维柔性机构设计分析

5．2．1 Sensable Phantom力反馈装置

5．2．2 内嵌Phantom的一维反馈力求解模型

5．2．3 基于Phantom触觉力反馈的柔性机构性能分析

5．3 结合触觉力反馈的多自由度柔性机构设计分析

5．3．1 球形马达力反馈装置

5．3．2 内嵌球形马达的多维反馈力求解模型

5．3．3 基于球形马达多维触觉力反馈的柔性机构设计分析

5．4 本章小结

6 柔性机构触觉力反馈及变形可视化实例应用

6．1 引言

6．2 智能移动小车变形可视化实例

6．2．1 二维悬臂梁纯弯曲实例验证

6．2．2 三维柔性梁扭弯实例验证

6．3 悬臂梁锁紧件实时力反馈实例

6．3．1 实时触觉力反馈模型的验证对比

6．3．2 基于Phantom力反馈交互实验及结果验证

6．3．3 基于球形马达触觉力反馈仿真结果

6．4 本章小结

7 总结与展望

7．1 总结

7．2 展望

附录

参考文献

个人简介

附录1：攻读博士学位期间发表(录用)的学术论文

附录2：攻读博士学位期间参加的主要科研项目