摘 要

从手控器的功能需求出发，针对实验室原有设备设计了三自由度手控器，能够实现X，Y，Z三个方向的平动自由度。在完成了手控器详细结构设计与驱动部件的选型后制作了它的工作动画，同时进行了主要结构件在一定工况下的CAE分析。在实际工作中， 一方面，操作者通过控制手柄来实现对手控器的操作，安装在并联机构主动端的编码器检测中间杆的转动角度，通过运算器正解得出动平台相对于固定参考点的平移距离，通过信息传输给终端，终端设备接受信息并以此为标准控制远端设备的工作，如机械手的运作等；另一方面，远端设备与环境相互作用的过程中产生力的作用，通过传感器检测信号并传输给操作端，操作端接收信号并通过运算器静力学计算得出力矩，各支链的电机根据运算得到的力矩运转通过传递将力传给操作者以实现力的反馈。

关键词：Delta并联机构；力反馈手控器；弹簧-质点模型

Abstract

Based on the functional requirements of the manual, three degrees of freedom hand controls are designed for the original equipment of the laboratory, and the translational degrees of freedom in X, Y and Z directions can be realized. After completing the selection of the detailed structure of the hand control and the selection of the driving parts, the work animation was produced, and the CAE analysis of the main structural parts under certain working conditions was carried out. In the actual work, on the one hand, the operator realizes the operation of the controller through the control handle. The encoder mounted on the active side of the parallel mechanism detects the rotation angle of the intermediate rod. The operator is satisfied that the translation distance of the moving platform relative to the fixed reference point is transmitted to the terminal through the information. The terminal device accepts the information and controls the operation of the remote device, such as the operation of the robot. On the other hand, the remote device and the environment interact with the process of generating the role of force. The signal is detected and transmitted to the operator by the sensor. The operator receives the signal and calculates the torque by the operator. The motor of each branch is transmitted to the operator to transmit the force according to the calculated torque.

Key words: Delta parallel mechanism; force-feedback parallel hand controller; spring-particle model

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景与意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3 本文研究内容 4

第2章 手控器结构设计 5

2.1 设计指标 5

2.2 详细结构设计 5

2.2.1 机构方案选择 5

2.2.2 手控器结构设计 6

2.3 主要部件的CAE分析 8

2.4 驱动部件选型与校核 10

第3章 手控器机构原理分析 13

3.1 运动空间分析 13

3.2 机构运动学模型 13

3.3 手控器运动学正解 14

3.4 Adams运动学仿真 16

第4章 虚拟表面力反馈算法 18

4.1 力反馈算法介绍 18

4.2 弹簧质点力/变形模型 18

第5章 结论 23

参考文献 24

附 录 25

致 谢 30

第1章 绪论

1.1 研究背景与意义

随着科技的进步，人类在核环境、深海探测、航空航天等方面的探索日渐频繁，然而，由于自身条件的约束，人类在这些极端恶劣的环境中很容易受到伤害，如核环境下的辐射、深海环境中的温度压强、航空航天过程中各种恶劣环境因素等都会阻碍人类在这些方面的探索，在这种条件下人为直接操作很难实现或是实现的成本太过高昂。正是由于这种情况，遥操作技术得到了进一步的重视，人们通过多方位的发展与应用使之能够帮助人们突破自身的限制，从而在人为操作下实现复杂环境中的各项任务，它是人类认知能力和操作能力的延伸^[1]。遥操作系统的组成主要有操作端的操作者、任务、环境以及主控制和从控制机器人，它是一种典型的人机交互系统^[2]，在工作中尤其需要操作者的参与。通过这种模式可以实现人机互补，根据操作者的感知、判断、预测和规划信息等可以控制远端设备完成相应的任务^[3]，这种操作模式可以有效结合操作者的智慧和机器人的适应能力，是机器人控制研究的重要内容^[4]，目前受到广泛的重视。在实现遥操作的过程中，力反馈控制器的是帮助操作者实现精细任务的核心，它能够将终端从动机器人获取的相关信息转换为力或力矩从而作用于人手^[4]。在实际工作中，临场感的表现形式主要体现在视觉、力觉和触觉方面，而上述提到的力反馈手控器是力觉方面的实现工具，同时它也能被应用在触觉方面^[5]。，由此可见，在实际工作中这种设备既可以作为远端设备的输入，即通过信息的传递使得远端机器人能够接收指令从而完成相应的操作任务，也可以作为操作端的输出，即通过反馈回路反馈终端接触力使得操作者产生力觉感受，这样就可以有效地帮助操作者干涉和控制机器人^[6]。手控器的应用不仅仅是在遥操作技术方面，同时也可以运用于虚拟现实中的人机交互，在虚拟医疗手术和虚拟训练领域已经得到初步的开发。因此，精度高、作用范围大的力反馈手控器已经是机器人遥操作领域的一大研究热点^[7]。本文从手控器的功能需求出发，针对实验室原有设备设计了三自由度手控器，能够实现X，Y，Z三个方向的平动自由度。一方面，操作者通过控制手柄来实现对手控器的操作，安装在并联机构主动端的编码器检测中间杆的转动角度，通过运算器正解得出动平台相对于固定参考点的平移距离，通过信息传输给终端，终端设备接受信息并以此为标准控制远端设备的工作，如机械手的运作等；另一方面，远端设备与环境相互作用的过程中产生力的作用，通过传感器检测信号并传输给操作端，操作端接收信号并通过运算器静力学计算得出力矩，各支链的电机根据运算得到的力矩运转通过传递将力传给操作者以实现力的反馈。

1.2 国内外研究现状

按照结构分类，手控器可以分为串联式、并联式和复合式。早期的手控器大多是串联式的结构，这种手控器通过关节将连杆机构串联，从而形成自下而上的开链结构，它的组成简单且工作空间大，同时，这种机构中的各运动组成部分在空间上不重叠、平行的特性可以方便设计和安装。然而，串联式手控器也有较为突出的缺点：串联式结构的奇异点较多，而这些点附近的机构传动性能较差，在工作要求较高时，机构甚至会产生损坏。另一方面，串联机构中的悬臂结构使得机构的刚度较差，而为了能满足机构实际工作过程中的刚度要求，就需要增加结构质量，这样就会使得控制部分更为复杂。基于这种情况，研究人员研发出并联式手控器，这种机构不仅克服了上述缺点，而且运动精度更是得到提高，因此逐渐发展成遥操作领域的研究热点。这种机构最早出现于二十世纪三十年代，上世纪八十年代洛桑理工学院在此基础上提出Delta并联机器人的概念。经过多年的发展，目前Delta机构在机器人相关领域已被广泛的应用，同时，Delta机构的各种变异结构也被应用在科学研究、并联机床、产品包装、机器人控制等各个领域^[8]。

Delta系列的手控器在不断发展的过程中逐渐衍生出多种变异类型，而对其各方面性质的研究更是应用的基础。对于并联式机构的研究，一般从机构的运动特性、运动规律、运动精度和反馈力等方面入手^[9]。为满足在运动特性、运动精度、反馈力等方面的要求，许多学者致力于研究将并联机构应用于力反馈手控器的构型与控制。目前国外的发展中，Chen^[10]提出一种轻型6自由度并联机构以增强力反馈控制的透明度，且该机构运动空间内的奇异点都是独立的。Chaker^[11]设计了一种用于手术的球形并联手控器，并用遗传算法求出其最优工作空间，如图1.1（a）所示。Arata^[12]提出一种Delta-R型并联机构，通过冗余驱动臂改变力感生成过程，如图1.1（b）所示。Li^[13]研制出8自由度的混联机构及其优化设计方法，如图1.1（c）所示。Taniguchi^[14]研制出一种可佩戴在手腕上的3自由度并联手控器，能够通过测量人手臂的肌动电流计算反馈力。