基于超声电机的主操作手装置设计

设计了使用连杆机构作为基本骨架结构的主操作手装置,由超声电机作为驱动器,能够测量手指关节弯曲角度,并能提供指尖力反馈。并且采用ADAMS仿真软件,仿真计算出人手指尖所需要额外承受的由主手自重带来的力的大小。同时验证主操作手机械设计的合理性与可行性。     

鼠标形桌面主操作手的设计

为了实现对灵巧手的主从控制,设计了一个鼠标形桌面主操作手。主操作手将操作者手指的运动位置实时传递给从手,在从手抓取物体的过程中,利用直流电机作为主操作手的主动力反馈控制源,通过直流电机的驱动电路控制电机的转矩,将从手感受的力反馈给操作者。整个系统由DSP控制器进行控制。     

力反馈主操作手附加力的补偿策略研究

针对力反馈主操作手的连杆重力、关节摩擦力以及惯性力影响医生真实感知反馈力信息的问题,建立了一套完整的动力学模型。基于力反馈主操作手动力学模型,分别建立了主操作手的重力补偿模型、摩擦力补偿模型以及惯性力补偿模型。通过力补偿控制策略来消除力反馈主操作手本身所具有的重力、关节摩擦力以及惯性力伴随关节运动对反馈作用力造成的干扰,实现了医生的真实力觉感知,从而提高了微创手术的精度。     

主操作手结构设计及运动学参数标定

为更好地提升机器人主操作手性能,减少由于机构重力导致的操作疲劳感并提高位置精度,设计了一款7自由度主操作手:大臂机构为一平行四边形机构,提供前后和左右自由度;小臂机构提供上下自由度;手腕机构提供俯仰和偏航自由度;末端操作器机构提供自转和开合自由度。为提高主操作手位置精度,在主操作手结构设计的基础上,应用旋量理论建立了主操作手的运动学及其误差模型,采用最小二乘法对运动学参数进行了辨识,并进行了标定实验。结果表明,经过运动学参数标定后,主操作手的最大位置误差改善了67. 43%。     

一种改进的主/被动结合的力反馈技术

根据虚拟现实、遥操作机器人系统和远程外科手术等领域的需要,针对主、被动力反馈存在的问题,在现有的主/被动混合型力反馈实现方法的基础上,提出了一种改进的串联弹性元件的主/被动相结合的力反馈实现方法,自行研制了制动力矩可控的磁流变液制动器用于实现被动力反馈,给出了该制动器的设计原理,建立了动力学模型。利用研制出的磁流变液制动器,组建了简单的能够实现主/被动力反馈功能的实验系统,利用不同弹性系数的弹簧模拟不同的实验环境及极端情况,对实验系统进行了力跟踪实验,实验结果验证了所提方法的有效性。     

三个复杂基本运动链奇异性条件的求解与识别

提出了求解任意复杂多回路平面连杆机构及操作手奇异位置分析的模块法。即对组成复杂机构的数量有限的基本运动链进行奇异分析 ,推导出这些复杂基本运动链产生奇异位置构型的奇异性条件 ,然后将之看作是复杂机构和操作手奇异分析的基本模块 ;只要一个基本运动链达到奇异位置时 ,该复杂机构即处于奇异位置。在此基础上本文又推导出三个复杂基本运动链产生奇异位置构型的奇异性条件 ,从而扩展了用该方法求解复杂多回路平面连杆机构及操作手奇异位置的应用范围。     

一种6自由度力反馈主手重力平衡方法

透明性是力反馈主手核心性能之一,直接影响到主手的力反馈精度、运动精度,以及操作者的疲劳感。当运动速度不高时,能否减少甚至完全消除主手重力对人手的影响成为力反馈主手研制中的关键技术。文中提出了一种重力平衡方法,可以让包括位置机构与姿态机构在内的6自由度混联式主手实现完全重力平衡,具有优良的静态透明性。同时,为了应用于制造和生产,又对提出的重力平衡条件进行了误差灵敏度分析。结果表明,在众多影响因素中,杆件质量与质心位置造成的不平衡均可通过调整配重来补偿,而杆件尺寸的误差及手腕质心位置对透明性影响最大,无法通过调整配重来消除。为了减少手腕质心位置与杆件尺寸造成的影响,文中给出了杆件公差带布置方法与各公差的限制条件。试验表明,主手在理论上满足重力平衡条件以后,通过应用文中给出的结论,可在实际中很好地保证主手的重力平衡性能。     

仿人手指的运动学分析与研究

设计了一种具有独立电机驱动、采用钢丝绳耦合连杆机构传动的多自由度仿人手指,并建立了手指机构的简化模型。同时,基于运动学分析得到了手指运动学模型正解,选取适当手指机构尺寸及各关节的转角范围,通过仿真获得了指端的工作空间。分析比较了有无耦合连杆2种手指各指节的运动位移与时间之间的关系,采用的耦合连杆传动,克服了无连杆传动过程中3个指节间在各个方向上的运动位移明显不一致性。为假手的抓取动作规划、运动姿态控制以及结构优化设计提供了进一步研究的基础。     

基于傅里叶级数理论的连杆机构轨迹综合方法

探讨傅里叶级数在平面和空间连杆机构中的几何意义,给出平面和空间连杆机构连杆曲线的统一数学表达式。借助傅里叶级数理论,对该表达式的谐波成分进行理论分析,发现连杆曲线谐波成分与其相应连杆转角函数谐波特征参数和机构尺寸参数的内在联系。通过连杆机构基本尺寸型与连杆转角函数的关系,提出建立连杆曲线数值图谱,以及推导连杆机构实际尺寸、连杆上点的位置和安装尺寸参数理论公式的一般方法。建立由平面机构到空间机构在形式上和内容上统一的连杆机构轨迹综合理论。从而为连杆机构轨迹综合提供了一种有效的通用方法。最后通过空间连杆机构轨迹综合算例,说明了本方法的有效性。     

应用于VR场景的力反馈外骨骼手套设计

为了让使用者获得在与虚拟场景交互过程中更快速的力反馈,设计出了一种新型的力反馈式外骨骼手套,采用连杆结构对手掌实现包络,设计出四连杆结构,对检测各个手指关节的姿态变化进行了运动学分析,并采用仿真软件ADAMS进行了基本结构的运动学仿真验证,利用FPGA开发板实现五指数据的采集,并对力反馈部分机构的力反馈过程进行了介绍。