結合觸覺力反饋與變形可視化的柔性機構設計分析.pdf

1、觸覺力反饋技術在傳統(tǒng)的機器人領域加入了“人”的參與作用和反饋感受，實現(xiàn)了遠程和虛擬環(huán)境下設計者參與的觸覺交互，主要用于在三維物理空間內(nèi)對遠程/虛擬對象進行操控。觸覺力反饋技術是多學科交叉生成的前沿技術，融合了計算機科學、計算機圖形學、自動化技術、信息技術、機器人和人機控制等多技術學科知識，被廣泛應用在計算機輔助設計、計算機輔助外科手術和計算機輔助裝配等領域。力反饋技術的實現(xiàn)過程中，實時的視覺仿真是相輔相成的，帶有觸覺反饋的可視化技術必須

2、實時獲取變形數(shù)據(jù)并反饋給環(huán)境以達到視覺觸覺的協(xié)調(diào)一致。雖然力反饋技術可在不同領域顯示出其不可比擬的優(yōu)勢，但本文的目的不是尋找某一特定應用下的力反饋可視化求解，卻從基礎的科學研究出發(fā)，對三維空間內(nèi)全局大變形柔性體“實時交互”過程中的變形可視化和力反饋問題進行探討。
　　論文圍繞柔性機構大變形下的實時力反饋可視化的實現(xiàn)，從數(shù)學建模、快速求解、硬件交互、實例驗證和應用等方面展開研究，主要章節(jié)內(nèi)容如下:
　　第一章介紹了觸覺力反饋技

3、術的研究背景和發(fā)展前景，綜述了柔性機構設計分析的研究現(xiàn)狀，引出結合觸覺力反饋與變形可視化的柔性機構設計分析的研究必要性及應用背景。闡述了本文的研究目的、意義和主要研究內(nèi)容。
　　第二章分別在全局坐標系和變形局部坐標系下對比建立了非線性柔性桿件形變基本模型。借助獨立于坐標系的空間曲率來描述曲線的彎曲和扭轉(zhuǎn)特性，完整表征對象的幾何形狀。對柔性梁的姿態(tài)，扭轉(zhuǎn)角，位移和力學性能等特征參量分別進行對比建模，得到兩種坐標系下的變形模型。

4、>　　第三章在第二章的基礎上，提出柔性機構實時變形的曲率模型解耦方法。具體為:建立一種通用世界坐標系下的降維離散狀態(tài)空間模型，基于曲率的結構變形模型方法有效地把形狀變量從13階非線性方程中解耦，使得柔性體力矩與形狀變量方程可以并行運算，滿足變形可視化所需的實時計算。
　　第四章針對力反饋應用的實時需求，提出了柔性機構力反饋的動態(tài)力位映射技術。以懸臂梁鎖緊件作為典型柔性機構的研究對象，提出了基于接觸問題的非線性力位關系求解方法，實現(xiàn)

5、了分段函數(shù)描述的復雜形狀柔性體的反饋力計算。同時，建立懸臂梁鎖緊件裝配件動態(tài)移動過程中的實時力位映射，為觸覺實景體驗提供了可嵌入式的實時力反饋算法。
　　第五章提出結合觸覺評估的柔性機構設計分析，實現(xiàn)虛擬環(huán)境下帶有用戶真實觸覺體驗的柔性機構設計優(yōu)化流程。商用Phantom力反饋裝置以觸針作為目標對象的載體，可在1KHz的高頻下檢測其位置信息，虛擬環(huán)境下再現(xiàn)懸臂梁鎖緊件插入元件移動過程中的反饋力信息。通過將柔性機構動態(tài)力位映射關系內(nèi)

6、嵌于永磁球形馬達數(shù)據(jù)接口，將其擴展為多自由度力反饋設備。該基于球形鏈接的裝置通過位移/扭轉(zhuǎn)角的雙變量實時檢測，有效克服傳統(tǒng)串并聯(lián)結構造成的受力不連續(xù)問題，使球形馬達力反饋裝置更柔滑地模擬人手操作過程。
　　第六章采用兩個實例進行驗證分析。第一個實例將離散狀態(tài)空間模型與實時計算方法應用在橋梁檢測智能小車的設計分析中，提出新的設計，使其在有限三維空間內(nèi)可自由彎曲和扭轉(zhuǎn)。通過與有限元分析和實驗測量等離線分析結果結合，實現(xiàn)了復雜工況（如翻

7、越彎角）下變形可視化的求解驗證;第二個實例將懸臂梁鎖緊件力反饋的動態(tài)力位映射關系嵌入到硬件力反饋設備Phantom的底層數(shù)據(jù)接口，進行虛擬環(huán)境下人機交互的觸感操作實驗。實驗證實虛擬環(huán)境下結合觸覺力反饋的柔性機構設計方法可設計滿足用戶需求的實用產(chǎn)品。在此基礎上，將柔性機構反饋力求解模型內(nèi)嵌于永磁球形馬達數(shù)據(jù)接口，從而更真實地模擬了帶有觸覺反饋的多維懸臂梁鎖緊結構的插套裝拆過程。
　　第七章為總結與展望。概括了論文的主要研究內(nèi)容和創(chuàng)新