基于力觉交互装置的重力补偿方法研究

全胸腔镜手术具有四个自由度操作,基于此设计出了具有五个关节的力觉交互装置进行虚拟手术研究。为提高系统逼真感,考虑到装置操作杆自重的影响,需要对该装置进行重力补偿。首先需要对系统进行力学分析,本文基于旋量理论,导出了该装置的运动学形式及运动空间;基于变换矩阵,导出该装置的静力学形式;最后通过驱动电机输出补偿力进行了装置的重力补偿并加以仿真验证。     

从操作手RCM机构重力补偿研究

为提高具有远程运动中心(RCM)的内窥镜手术机器人从操作手的定位精度和运动稳定性,对从操作手进行动力学等效,得出构件的等效质心位置,采用拉簧-绳轮对机械臂进行重力补偿;再根据拉格朗日方程建立从操作手RCM机构的动力学模型,采用计算力矩法进行重力补偿.通过Adams对比分析了经重力补偿后从操作手各个关节的运动响应曲线.结...     

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。     

力觉交互控制的机械臂精密位姿控制技术

针对卫星装配过程中关键零部件质量体积较大,不易装配的问题,提出了基于力觉交互控制的机械臂精密位姿控制技术,通过在机器人末端安装六维力/力矩传感器,实时获取机器人末端负载重力和末端所受外部作用力,并将负载重力和外部作用力解耦,进而实现外部作用力对机械臂末端位姿的精密控制。同时,对机器人辅助装配控制系统及其架构进行了介绍,并提出了一种简单可行的六维力传感器标定方法。试验结果表明:该技术可以实现机器人末端位置的精密控制,具有结构简单、计算量小、操作方便等特点。     

力觉交互系统稳定性研究

在中国国家自然科学基金资助项目《牙科手术模拟力觉交互系统稳定性研究》和《基于双模式力觉交互的灵巧动作技能训练方法研究》,以及中国国家高技术研究发展计划(863计划)项目《面向手眼协调操作的触(力)觉合成和视觉-力觉融合再现技术》的共同支持下,以开发高性能牙科手术模拟训练系统为目标,针对力觉交互设备控制过程中振动或噪声所导致的力觉感受稳定性丧失,围绕探索复杂虚拟环境下的力觉交互系统(HIS)失稳机理,基于力觉交互设备和力觉渲染算法,探索提高力觉交互系统稳定性和逼真度的方法,提出学术报告.通过模拟牙面探查实验,发现用虚拟工具接触牙齿表面时,若接触刚度较大会导致设备振动.通过模拟牙体预备实验,发现用虚拟工具切削牙齿时,大的接触刚度也导致设备振动.大刚度所引发的设备振动,可以通过减小刚度减少或消除,但随之而来的是由于接触力过小,导致系统丧失逼真度.因此,HIS稳定性研究的核心任务是探索在非解析表达复杂虚拟环境下的基于阻抗显示设备的HIS稳定性丧失的物理机理及其稳定合成算法.基于力觉交互系统(HIS)组成结构,假定操作者为系统的被动环节,将HIS稳定性问题分解为力觉交互设备和力觉合成算法等两部分,通过确定各自的验证任务和验证指标,实现问题解耦,方便HIS的设计和调试.在力觉设备稳定性研究方面,讨论了多自由力觉交互设备性能与系统稳定性的关系,建立了HIS控制参量与系统稳定性的关系模型,建立了提高系统稳定性的控制算法.研究发现,通过改变系统的物理参数和控制策略可以有效地提高力觉交互系统的稳定性.采用电流闭环控制策略(CCLC)和多更新率控制策略(MC)等两种方案提高了系统稳定性.CCLC是指在电机回路增加电流传感器,测量电机的实际电流,构成电流反馈;进而计算电机实际输出力矩,得到设备末端的实际输出力.MC是指在不增加上位机更新频率的前提下,在下位机微控制器上实现更高频率的插补运算,包括以更高的频率对设备末端的位置采样,以及对设备末端的输出力进行预估计算.控制器利用当前插补时刻的设备位姿,实时计算虚拟力增量,从而实现在两个连续上位机虚拟力的间隔内的高频率插补.基于自主开发的3自由度(3DOF)力觉交互设备实验平台,开展稳定性测定实验,证明了CCLC和MC的有效性.实验发现交互设备的最大可模拟虚拟刚度不仅与设备末端的位置有关,还与虚拟墙方向——虚拟力方向有关.通过实验测量得到了(3DOF)工作空间内不同点不同方向上可模拟最大刚度的分布.在力觉合成算法稳定性研究方面,基于动态单边约束的概念分析了复杂虚拟环境的力觉交互失稳机理,发现了制约系统稳定性的限制参量——等效接触刚度、动态单边约束的位置坐标变化梯度、动态单边约束的法线向量变化梯度,进而提出基于等效阻抗的稳定性处理算法.针对拥有大量数据的精细模型的力觉交互模拟,提出速度驱动的离散多层级模型力觉合成算法,离线建立物体层次模型,通过用户探查试验确定触发层次切换的速度阈值,并运用表面接触点层级映射改进碰撞检测算法,避免了模型层级切换时力信号的阶跃变化.基于等效阻抗的稳定性处理算法和离散多层级模型力觉合成算法在全口腔大数据量模型探诊中得到了验证.针对两种不同物理属性的组织的交界处交互时力觉交互设备的振动问题,提出适用于模糊边界的灰色区域法,在牙齿横切面的多组织探查和龋坏组织的探查中得到了应用.针对被操作物体拓扑结构的变化的力觉交互任务,采用了体素化建模方法,高效率地实现了材料去除和模型更新,并提出了适合于材料去除操作的虚拟匹配算法(Virtual Coupling Method),保证了拓扑结构变化时力觉模拟的稳定性,在牙体预备手术的牙齿钻削模拟中得到了验证.     

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.     

一种用于飞行模拟力觉交互设备的控制系统设计

从飞机模拟器操纵负荷系统的功能与需求出发,为一种用于飞行模拟的力觉交互设备设计了控制系统;分析了系统的控制策略,并从硬件和软件两方面建立了控制平台;在样机上对反馈力矩大小与系统响应时间进行测试,验证了控制系统的可行性.     

空间机器人悬挂系统重力补偿研究

在地球表面模拟月球的低重力环境,需要对模拟器进行重力补偿。采用宏微机构,能满足大行程和高精度的要求。采用质心恒张力吊挂原理,设计了一种恒张力控制重力补偿机构,为移动性能综合实验提供多吊点的月面低重力环境模拟。对张力控制吊挂装置进行了力学分析和振动分析,对控制系统的设计要点进行了说明。大量的现场试验和不同的工况试验表明:能够满足模拟器大行程和高精度运动的重力补偿,补偿精度达到98%,能够满足试验要求。该系统已用于某研究所定型产品试验。     

具有固定重力补偿的机器人控制研究

机器人控制的目的是要控制机器人末端的位置和姿态,使其可以从工作空间内的任意起始位置出发都可以到达工作空间内的期望位置。机器人系统的控制离不开对系统的动力学分析,由机器人动力学特性可知,相对于摩擦力、哥氏力、离心力,重力对机器人动态特性的影响更大,不考虑重力补偿而采用固定控制往往存在相对恒定的关节误差。通过对机器人的重力补偿使控制器输出克服重力,并对其稳定性进行分析,从而降低关节误差,达到机器人的期望位置。最后通过对机器人仿真验证重力补偿的实际效果。     

磁流变液的力觉反馈系统研究

提出一种基于磁流变液的力觉感知驱动装置,该装置具有内、外两个线圈,并且绕向相反,其中内部线圈缠绕在活塞外部,外部线圈则缠绕在缸体外部,通过内、外线圈磁场力的相互作用使其具有复位功能.根据磁流变液的特性及磁流变效应,结合线圈参数、结构参数和磁路设计等原则,给出了主动式磁流变阻尼器的结构设计模型,并建立了Bingham模型和修正的Bouc-wen模型的Simulink软件仿真,仿真结果验证了该装置结构设计的合理性,为其在力觉反馈系统中的应用提供了依据.     

一种仿人机器人臂的重力补偿研究

为了对7自由度握手机器人臂进行重力补偿,提出了基于最小二乘法的机器人臂动力学参数识别方法。首先,推导了该机器人臂各关节转矩的重力项理论计算公式;其次,对基于最小二乘法原理的参数识别方法进行详细分析;最后,利用该方法对机器人臂各连杆进行了参数识别试验。试验表明:依靠该方法进行参数识别后的重力项计算值和实测值基本上是一致的,能够用于机器人臂的重力补偿计算。     

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。     

基于非圆齿轮的机械臂重力补偿机构研究

目前大多数机器人工作过程中需要消耗大量能量来克服自身重力,为了降低能耗并提高机器人性能,提出一种用于转动关节机械臂的重力补偿装置,该装置采用非圆齿轮行星轮系扭转弹簧机构,可实现机械臂任意可达工作空间的重力补偿;建立机械臂静平衡力学模型,根据静平衡约束条件设计非圆齿轮行星轮系,对非圆齿轮行星轮系传动比分配进行讨论,得到满足力矩平衡的最简轮系;以2R平行四杆机构机械臂为例进行设计分析,并导入ADAMS中进行验证,仿真结果表明,重力补偿机构有效降低了驱动力矩。     

三自由度平动手控器重力补偿研究

设计、加工三自由度平动手控器,通过静力学计算以及ADAMS仿真分析,求解出任意位置平衡手控器运动部件重力所需的电动机驱动力矩,并将计算结果应用于手控器的操作过程中。试验表明,重力补偿能有效地消除手控器运动部件重力对操作者的影响,减轻疲劳感,提高了机构的可操作性与操作效率。     

手术机器人力感主手不完全重力平衡性能研究

结合力感主手动力学方程,分析了主手在不完全重力平衡时,不平衡力对主手力感性能的影响。给出了重力不平衡项的变化范围,以及在不影响力感精度前提下主手的质心位置变化范围,并应用Adams和Matlab软件联合仿真,对主手的透明性在完全重力平衡和不完全重力平衡两种状态下进行分析对比。结果表明:当质心在该范围内时,可以减小机构惯性力,提高力感性能,同时又不会影响主手的刚度和可操作性。