双边遥操作力反馈手控器研制

论文摘要

手控器是双边遥操作技术实现中的关键部分,作为人机接口设备,其性能好坏直接影响双边遥操作的效率。本文设计了一种6自由度通用型手控器,对手控器的设计指标、手控器机构、检测驱动模块和控制算法进行了深入的研究。在考察以往研制的各种手控器的设计指标的基础上,提出了通用型手控器设计须满足的主要指标。以所提指标为准则,对手控器系统的各个功能模块的设计方法进行了讨论。1.设计了6自由度手控器机构。基于Delta并联机构设计的3自由度平动平台具有工作空间大、机构刚度高的优点,同时3自由度转动平台的设计也充分考虑了人手操作的舒适度和控制算法的复杂度等指标。使用SolidWorks软件对机构进行了三维构件设计和装配。按照SolidWorks中的三维构件生成了工程图,并制造了满足设计要求的手控器机构。2.手控器的运动学分析和静力学分析。本文建立了手控器位置正解和逆解算法,在Matlab环境下得到了手控器的工作空间仿真图形;得到了手控器移动平台的速度雅可比矩阵和力雅可比矩阵,绘制了速度特性和静力学特性图,验证了在选取适当杆件参数的情况下,提出的通用式手控器适合大位移位置控制。使用雅可比矩阵进行计算得到了满足手控器设计指标的驱动器和传感器选取参数。3.控制系统设计与实现。为了满足手控器轻型化、控制简单、选型方便的要求,使用伺服电机和力/力矩传感器实现手控器检测/驱动模块的设计。力控制器的设计基于零力控制方法,在一台工控机上实现。使用Matlab软件的SimMechanics工具箱搭建了一个实现3位平移自由度的机械手,以此仿真机械手为从端,应用双边PD算法设计了双边控制系统。在双边控制系统中引入3秒时延的情况下,双边遥操作实验结果表明手控器操作直观有效。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题概述
• 1.1.1 课题来源
• 1.1.2 课题的提出及意义
• 1.2 手控器研究综述
• 1.3 本文研究内容及论文组织结构
• 第二章 手控器设计指标及系统结构
• 2.1 手控器的设计指标
• 2.1.1 手控器的自由度数
• 2.1.2 工作空间和转动能力
• 2.1.3 位置检测精度
• 2.1.4 力反馈的范围
• 2.1.5 控制周期
• 2.2 手控器系统结构
• 2.2.1 手控器机构
• 2.2.2 控制器
• 2.3 本章小结
• 第三章 手控器机构设计与仿真
• 3.1 引言
• 3.2 机构设计
• 3.2.1 移动平台的设计
• 3.2.2 转动平台的设计
• 3.3 具体机械设计
• 3.3.1 Solidworks 软件简介
• 3.3.2 移动平台机械设计
• 3.3.3 转动平台机械设计
• 3.4 本章小结
• 第四章 手控器机构运动学建模与分析
• 4.1 引言
• 4.2 移动平台坐标系的建立
• 4.3 移动平台的运动学分析
• 4.3.1 逆向位置分析
• 4.3.2 正向位置分析
• 4.3.3 速度分析
• 4.4 移动平台的静力学分析
• 4.5 工作空间仿真及杆件综合
• 4.5.1 移动平台工作空间仿真
• 4.5.2 移动平台杆件综合
• 4.6 移动平台速度仿真
• 4.7 移动平台静力学仿真
• 4.8 本章小结
• 第五章 手控器控制系统的设计与实现
• 5.1 检测驱动
• 5.1.1 检测/驱动模块设计
• 5.1.2 驱动器配置
• 5.1.3 传感器配置
• 5.2 力控制
• 5.3 主从/双边控制
• 5.3.1 算法流程
• 5.3.2 虚拟力产生
• 5.4 控制器设计
• 5.4.1 控制器的硬件结构
• 5.4.2 控制器的软件结构
• 5.5 系统仿真试验
• 5.5.1 从端环境模拟
• 5.5.2 仿真实验
• 5.6 本章小结
• 结束语
• 全文总结
• 未来展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果
• 附图A 部分工程图