具有视觉和力觉反馈的虚拟装配

在虚拟装配中，要使人们对装配对象和装配环境获得全面、逼真、自然的认识，除了视觉信息外，还应提供触觉、力觉等信息。在实现人与虚拟环境之间的视觉和力觉交互方面进行了初步尝试，通过建立虚拟对象的仿真模型和虚拟与现实世界之间的交互模型，利用常见的商用软件构造了虚拟装配环境和虚拟装配对象，研制和开发了二维力觉交互装置——力反馈鼠标，并通过实例进行了人与虚拟环境之间视觉和力觉交互的验证实验。     

虚拟环境下力觉交互的实现

对实现人与虚拟环境之间的力觉交互进行了初步尝试,在建立虚拟对象的仿真模型和虚拟与现实世界之间的交互模型的基础上,利用常见的商用软件构造了虚拟装配环境和虚拟装配对象,并通过一简单的力觉交互装置-力感鼠标进行了人与虚拟环境之间力觉交互的验证实验。     

一种新型导纳力觉交互设备的研究

提出一种导纳型力觉接口设备,利用摩擦轮原理进行传动,其低惯量、高速等特点保证了力觉系统具有较高出力带宽.同时,以设备为平台建立了人机力觉交互系统,进行了力觉交互实验.     

面向任务的力觉交互设备设计

力觉交互是提高手术仿真培训系统逼真度的有效途径之一,如何设计出满足系统性能要求的力觉交互设备对手术仿真系统的开发至关重要。从设计案例出发,讨论了面向任务的力觉交互设备设计方法。先分析牙科手术模拟器对力觉交互设备的性能需求,发现现有商用力觉交互设备不能满足牙科手术仿真对高刚度和大转动工作空间的要求,因而提出一种新型6自由度力觉交互设备的机构方案,采用并联3-RRC机构与串联3R机构的组合,达到了兼顾高刚度和大转动工作空间的目的。物理样机试验表明该设备的工作空间、最大输出力和虚拟刚度等指标均达到设计要求。     

一种飞机模拟驾驶力反馈设备的设计与实现

飞机模拟驾驶杆是飞行模拟器的重要组成部分,是向飞行员提供操纵力的人感系统。设计了一种新的阻抗型力觉交互设备,仿真飞机驾驶杆的操纵力,提出了弹簧-电动机的力控制方案。设备通过弹簧的变形为操作者提供反馈力,通过电动机做位置伺服控制弹簧的变形量改变设备的刚度,从而调整操纵力的大小。以一自由度的样机为平台建立了人机交互系统,进行了力觉交互实验,验证了力控制方案和传动方案的可行性。     

虚拟环境下力觉交互的实现

对实现人与虚拟环境之间的力觉交互进行了初步尝试。在建立虚拟对象的仿真模型和虚拟与现实世界之间的交互模型的基础上 ,利用常见的商用软件构造了虚拟装配环境和虚拟装配对象 ,并通过一简单的力觉交互装置———力感鼠标进行了人与虚拟环境之间力觉交互的验证实验     

基于力触觉手柄的虚拟环境力反馈交互系统稳定性分析

基于力触觉手柄的虚拟环境(VE)力反馈系统在人机交互领域得到广泛应用,稳定性是系统正常工作的前提。首先将力反馈设备、虚拟交互环境以及操作者作为独立模块单独建模,再基于阻抗再现方法建立力反馈交互系统闭环控制模型,并利用赫尔维兹判据推导了系统稳定的条件,利用频率响应函数分析了刚度和阻尼、零阶保持器的信号保持时间间隔以及操作者阻抗对系统稳定性的影响,给出了虚拟刚度、虚拟阻尼以及操作者阻抗等影响因素的临界稳定条件。利用研制的力反馈触觉手柄构建了实验系统并进行了实验研究,针对不同的力反馈频率和不同的阻抗分析了不同条件下的系统稳定性。实验结果证明了理论分析的正确性。     

一种基于材料切除方法的力反馈仿真模型研究

针对目前虚拟油泥造型技术缺少力觉造型控制的问题,提出一种新的基于材料刮削率的力反馈仿真模型.该模型中虚拟反馈力与材料刮削率成正比,计算机虚拟造型时,根据材料属性和单位时间内材料的实时刮削量来计算虚拟刮削力.在基于压缩体素模型的虚拟油泥造型原型系统中,利用Phantom Desktop力觉交互设备,成功地实现了具有力觉反馈的虚拟油泥造型.仿真实验结果证明,该模型可以满足虚拟油泥造型方法的要求,能够有效地增强造型过程的真实感,且稳定、高效.     

人机交互中的力/触觉设备进展综述

在虚拟现实和遥操作系统中,力/触觉接口是非常重要的人机交互设备.目前的力觉装置有外骨骼和固定设备、数据手套和穿戴设备、点交互设备和专用设备等,这些力觉装置中采用气动、液压、电机或磁场等驱动的主动式力反馈居多,也有基于液体智能材料的被动式力觉反馈.触觉的实现方法主要有由电磁(螺线管、发声线圈)驱动的机械振动,压电晶体、形状记忆合金驱动的探针阵列,气动系统,热力泵(塞贝克效应)系统等.     

机器人力觉示教的力控制及仿真分析

针对机器人传统示教方式逐渐无法满足复杂工业生产需求的现状,提出了一种基于六维力传感器的机器人力觉示教,并介绍了其系统组成。结合一些经典力控制方法及力觉示教实际,对机器人力觉示教的力控制系统展开研究,提出了基于速度的主动柔顺控制策略,从理论上建立了机器人力觉示教时末端工具受力和力矩的运动控制算法。通过Adams仿真软件,对机器人的力觉示教运动进行了仿真分析,最终结果表明该控制算法能够有效地实现机器人力觉示教控制,使力觉示教更加主动灵活,更好地满足复杂工业生产的工艺要求。     

体外驱动全磁浮锥形螺旋叶轮血泵原理及关键技术研究

在中国国家自然科学基金资助项目《体外驱动全磁浮锥形螺旋叶轮血泵的研究》,河北省回国留学人员择优资助经费项目《体外驱动全磁浮锥形螺旋轴流血泵研究》,以及流体传动及控制国家重点实验室(浙江大学)开放基金资助项目《磁悬浮外磁场驱动轴流血泵的研究》的共同资助下,开展体外驱动全磁浮锥形螺旋叶轮血泵(TMSCSI-BP-DOD)工作原理及关键技术研究,制造出物理原型样机,对研究取得的成果进行学术总结报告.为减少和消除血泵流道结构不合理引发的溶血和血栓问题,以减小血液流动剪切速度为目标,基于“静止进口导叶导轮+锥形螺旋叶轮转子+静止出口导叶导轮”的结构,提出一种体外驱动、在轴向和径向完全实现磁悬浮的新式血泵——TMSCSI-BP-DOD,建立起锥形螺旋叶轮转子及其流道内的血液学和流体动力学模型,模拟分析血液流场和流动规律.运用计算流体动力学(CFD)方法考察一定转动速度下,锥形螺旋叶轮转子叶片数、叶片螺距、转子锥度、进出口导轮叶片形状和导轮叶片数等参量对血泵流场、输出流量和压力的影响规律,模拟血泵结构参数变化对血泵性能的影响.通过仿真计算得到21条研究推论,归纳出5条研究结论.提出了TMSCSI-BP-DOD转子、叶片、导轮设计应遵循的7条设计准则:血泵进口端壳体和出口端壳体内表面应该设计成流线形状;进出口导轮应该设计成锥弧形曲面,并能与血泵进口端壳体和出口端壳体内表面相匹配;转子应该设计成锥形,转子锥度应该选取为9.46°;与转子对应的血泵壳体部分内表面应该设计成锥形,并与转子的锥度相同;锥形转子上的叶片应为螺旋状,且选取螺旋头数为3,即螺旋叶片数为3;锥形转子上螺旋叶片的螺距应该选取为35 mm;进出口导轮上的导叶片形状应设计成圆弧状,进出口导轮上的叶片数分别为8.为了解决血泵机械轴承在运转过程中由于磨损而引发血泵的失效,以及轴承摩擦热对血液可能产生的破坏作用,提出采用磁悬浮轴承(MSB)替代机械轴承的锥形螺旋叶轮血泵转子(RCSIP)径向和轴向混合被动式磁悬浮结构,构成了血泵锥形螺旋转子的轴向和径向磁悬浮轴承;建立了径向永磁轴承内磁环径向有偏移、轴向有偏移情况下轴向悬浮力、径向悬浮力的数学模型;建立了轴向永磁轴承动环轴向有偏移情况下轴向悬浮力的数学模型.采用ANSYS/Emag中的电磁场模块,仿真分析了不同气隙及径向偏移量下永磁轴承的磁力线分布,内磁环所受径向悬浮力与径向偏移量之间的关系,不同轴向偏移量时径向永磁轴承磁感应强度矢量分布,径向永磁轴承轴向悬浮力与轴向偏移量之间的关系.通过上述数值计算分析数据,得到了14条研究推论,归纳出10条研究结论.根据上述推论和结论,提出了关于TMSCSI-BP-DOD轴向和径向永磁轴承设计所应遵循的5条设计准则:径向永磁轴承应该由轴向充磁的两个磁环组成;为保证产生足够的径向悬浮力,径向气隙g0应取值0.2 mm;轴向永磁轴承应该由轴向充磁的两个永磁环组成;为保证产生足够的轴向悬浮力,轴向间隙应控制在0.2 mm附近;为保证对血泵转子磁悬浮的稳定性,轴向和径向永磁轴承应该成对出现.针对血泵动力导线与控制导线穿越皮肤引起人体感染等问题,构思出体外磁场驱动方案——血泵转子驱动永磁铁采用高磁性永磁体NdFeB制成,运用永磁电机驱动原理,对线圈组加载交变电流来产生旋转磁场,对永磁转子产生旋转力矩,从而驱动转子持续转动.提出呈120°均匀周向排列的三线圈驱动系统和呈60°均匀周向排列的六线圈驱动系统等两种设计方案.针对旋转磁场的构建,以三线圈驱动方案和六线圈驱动方案为研究对象,应用ANSYS/Emag的电磁场模块通过剩磁、内禀矫顽力、转子内径、转子外径、转子与线圈中心距等参量仿真模拟了加载电流与永磁转子上产生的驱动力矩之间的关系,以及线圈与永磁转子之间的距离与永磁转子上产生的驱动力矩之间的关系,得到了14条研究推论,归纳出5条研究结论.根据上述研究推论和结论,提出了关于TMSCSI-BP-DOD血泵转子外磁场驱动设计所应遵循的3条设计准则:转子上必须有4个径向充磁的永磁磁条;驱动线圈取为6个,且沿转子周向均匀布置;驱动线圈与转子之间的中心距应控制在40～60 mm之间,以保证永磁转子上产生足够的驱动力矩.为验证六线圈驱动方案正确性,分析驱动距离、驱动电流对永磁转子转速的影响规律,构建起TMSCSI-BP-DOD转子外磁场驱动实验装置,通过改变线圈组与转子中心距离,获得其在定值输入电流下永磁转子所能达到的最高转速与距离关系曲线;保持线圈绕组与永磁转子中心距一定,获得测量输入驱动线圈电流变化的情况下永磁转子最大转速与驱动电流的关系曲线.据此得到了2个推论,实现了距转子40～60 mm范围内无机械连接磁场驱动.为了验证所构思的新型血泵工作结构的可实现性,制造出TMSCSI-BP-DOD物理原型样机.以锥形螺旋转子、导轮及外壳等3个关键零件为对象,规划了TMSCSI-BP-DOD物理原型样机零件的制造过程和制造工艺,编制数控加工程序,建立了血泵总装配流程图和装配步骤,得到了血泵物理原型样机的总装配图.通过机械制造,得到了锥形螺旋转子、导轮及外壳等实际加工体,通过测量,得到实际加工公差,证明上述3个关键零件的加工步骤、加工工艺流程正确.搭建了TMSCSI-BP-DOD物理原型样机实验测试系统,测试了血泵扬程与转速、流量之间的关系,血泵转速与控制器电流、电压和输出功率之间的关系,血泵扬程与功率和效率之间的关系,得到了5条研究推论,证明TMSCSI-BP-DOD的工作原理是正确的,其最高驱动转速可达5 750 r/min,对应的流量达2 L/min,压力达18.49 kPa,输出流量和压力可以满足人体辅助血液循环的要求,但尚不能满足完全代替人体心脏的要求.     

Concerning cranks and rockersUber kurbelin und schwingen

The paper starts from the fact that, for a general mechanism M of mobilty 1, the space of all configurations can be viewed as an algebraic curve V in a higher-dimensional space. Using techniques from algebraic geometry it is shown how the topology of V can be deduced from the geometry of the natural projection to the corresponding curve V′, for an appropriately chosen submechanism M′. These ideas are applied to the planar and spherical 4-bar mechanisms.

Abstract

Der Ausgangspunkt des Artikels ist die Tatsache, dass für einen allgemeinen Mechanismus M der Raum V aller möglichen Konfigurationen als eine (nicht-singuläre) algebraische Kurve in einem höherdimensionalen Raum dargestellt werden kann. Im reellen Fall ist V eine endliche Vereinigung der Ovale, und ein grundliegendes Problem ist ihre Anzahl zu bestimmen. Die Schlüsselidee ist, Untermechanismen M′ und ihre entsprechenden Kurven V′ zu betrachten. Es gibt immer eine natuürliche Projektion π: V → V′, ide normalerweise endlich ist (im Sinne der algebraishen Geometrie), und die für viele Beispiele, die im Maschinenbau von Interesse sind, den Grad 2 hat. Unter diesen Umständen wird ein Oval von V entweder ganz auf ein Oval von V′ (eine Kurbel) oder nur teilweise auf ein Oval von V′ (eine Schwinge) gebildet. so dehnen wir die klassichen Konzepte von Kurbel und Schwinge auf einen natürlichen geometrischen Rahmen aus. Das Hauptergebnis ist, dass die Anzahl der Ovale durch das Zählen der Zweigpunkte bestimmt werdern kann. Auf diese Weise wird das Problem zu einer einfachen algebraishen Rechung reduziert. Die Theorie wird auf ebene und sph rische Viergelenkgetriebe angewendet.     

An inverse kinematic analysis procedure for flexible open-loop mechanisms

This paper presents the development of a point-oriented kinematic analysis procedure for open-loop mechanisms that includes provision for elastic links. The analysis method is based upon specifying the three-dimensional reference locations of control points that lie at specified locations on the mechanism. An iterative method based upon 4 × 4 transformation matrix techniques is utilized to solve for the values of the joint variables that define the configuration of the mechanism as well as their velocities and accelerations. This is first done with the assumption that the mechanism links are rigid in order to determine the nominal mechanism state for load calculation purposes. Quasi-static loading conditions are assumed in order to calculate the deformed shapes of the links which are then used to reiterate on the position analysis. The method incorporates least-squares to allow the solution when the control point data is underspecified, overspecified or inconsistently specified. Examples are provided in which the analysis procedure incorporating elastic links is applied to the solution of two planar manipulator positioning problems.

Abstract

Dieser Bericht stellt die Entwicklung eines punktorientierten kinematischen Analysesverfahren für Mechanismen mit offenen kinematischen Ketten unter der Berücksichtigung elastischer Komponenten vor.

Das Verfahren beruht auf des Bestimmung der dreidimensionalen Bezugsorte von Kontrollpunkten, die an bestimmten Stellen des Mechanismus liegen. Eine iterative Methode, basierend auf der Anwendung von 4 × 4 Transformationsmatrizen, wird verwendet, um sowohl die allgemeinen Koordinaten, die die Struktur des Mechanismus beschreiben, als auch deren Geschwindigkeiten und Beschleunigungen zu berechnen. Dafür wird zuerst unter der Annahme steifer Verbindungselements der Ausgangszustand für spätere Belastungsuntersuchungen errechnet. Unter bekannten quasistatischen Lastzuständen werden die Verformungen der Glieder ermittelt und für die reiterative Positionbestimmung verwendet. Dieses Verfahren beinhaltet die Methode der kleinsten Quadrate, um eien Lösung auch im Falle unterbestimmter, überbestimmter oder widersprüchlich bestimmter Kontrollpunkte zu ermöglichen.

Die Anwendung dieses Verfahren zur Lösung zweier ebener Positionieraufgaben für Manipulatoren unter Berücksichtigung elastischer Verbindungselemente wird anhand von Beispielen erläutert.     

Mechanismen für die gleichmässige teilung der ellipse

Die gleichmäßige Teilung der Ellipse in eine Anzahl n gleichlanger Bogenstücke ist ein analytisch nicht lösbares Problem. Numerisch kann diese Aufgabe ohne weiteres gelöst werden. Technische Bedeutung hat die Lösung für die gleichmäßige Anordnung von Elementen auf dem Umfang eines elliptischen Werkstückes. Für die Teilung von Ellipsen an Werkstücken, die auf Unrund-Drehmaschinen (Oval- oder Ellipsendrehmaschinen) gefertigt werden, bieten sich nichtlinear geteilte Ellipsen-Teilscheiben an. Einem historischen Vorbild folgend, und zwar dem Compensating Index Mechanismus von J. J. Holtzapffel, werden Mechanismen untersucht, die die Teilung der Ellipse mit hinreichender Annäherung erreichen, eine einfache technische Lösung darstellen und möglichst stufenlos auf das Achsenverhältnis der zu teilenden Ellipse einstellbar sind.     

Mathematical formulation of constrained robot systems: a unified approach

A robot is constrained if its end effector cannot freely move. The constraints imposed on the robot may be external, internal or both. The external constraints is due to the robot end effector in contact with external environment. The internal constraints is due to the robot structure when some of robot links from a closed loop. When a robot with an internal closed loop structure is in contact with the external environment, the constraints are two-fold: external and internal. This paper presents a unified formulation for externally constrained and internally constrained robots. The well-posedness of the formulation is justified. In addition, we discuss the relation between constrained robot formulation and a singular system of differential equations.

Abstract

Ein Roboter ist in seiner Bewegung eigeschraenkt, wenn er seine Greifarme nicht frei bewegen kann. Die Beschraenkungen koennen von aussen, von innen kommen, oder sowohl von aussen, als auch von innen auf den Roboter ausgeuebt werden. Die Bewschraenkung von aussen geht von der Umgebung aus, mit der die Greifarme in Kontakt kommen. Die Beschraenkung von innen hat ihren Ursprung in der Struktur des Roboters, wo einige Glieder des Roboters einen geschlossenen Kreislauf bilden. Wenn ein Roboter mit einer o.g. Struktur mit der ausseren Umgebung in Kontakt kommt, ist er zweierlei Einschraenkungen ausgesetzt: Einschraenkungen von aussen und von innen. Diese Abfassung bietet eine vereinheitlichte Formel fuer Roboter, die diesen zweifachen Einschraenkungen ausgesetzt sind. Die Eignung dieser Formel ist gerechtfertigt. Ausserdem diskutieren wir das Verhaeltnis zwischen der Formel fuer eingeschraenkte Roboter und dem Singularsystem von Differentialgleichungen.