弱不平衡高动态性能力感主手的研究与设计

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1、天津大学硕士学位论文弱不平衡高动态性能力感主手的研究与设计ResearchandDesignofaWeakImbalancedHapticMasterManipulatorwithHighDynamicPerformance学科专业：机械工程作者姓名：许炜泽指导教师：赵臣副教授天津大学机械工程学院二零一五年十二月中文摘要力感主手是主-从式遥操作机器人的重要组成部分，除了可以遥操作从手的运动外，还可以让操作者感受到从手与环境间的交互作用力，提高操作质量。除了较好的静平衡效果，一款性能优良的主手还应具有良好的动态透

2、明性，以保证力感精度。当主手高速运动时，惯性力对动态透明性的影响尤其明显。因此，如何减小惯性力的影响，成为力感主手研究中的关键问题之一。课题组已研制出了一款完全重力平衡力感主手，主要适用于手术等速度不高的场合。本文改用弱不平衡方式处理重力问题，以提高动态性能。为了便于比较，新主手的工作空间形状与尺寸也完全参照国外一款著名产品，并对手腕结构进行了改进。既具有良好的静平衡效果，不影响人手力感知，又有效地降低了主手的表观质量。为了进一步减小主手惯性力的影响，提高主手的动态透明性，对新设计出的主手进行拓扑优化设计。首先

3、从人机工程学的角度对主手的运动轨迹进行规划，分析各杆件在运动过程中变形最大的位置；然后以这些位置上的工况对主手位置机构进行优化。并以主手的表观质量在100克以内的区域所占的面积比为主要衡量指标，结合主手的全局表观质量、标称位置处的表观质量以及主手的变形情况确定优化方案。由于力感值的计算与重力平衡的实施均以假设刚性杆件为前提。因此，在进行拓扑优化时，如何合理处理减小惯性力与保证结构刚度之间的矛盾成为问题解决的关键。本文提出了一种设计方法，既可以有效减小惯性力的影响，提高主手的动态透明性，并且使主手拥有足够的结构刚

4、度。关键词：力感主手；动态透明性；弱不平衡；拓扑优化IAbstractHapticmastermanipulatorisanimportantpartofthemaster-slavetele-operationrobot,whichcouldcontroltheslave-manipulatorandprovidefeedbackforce.Itcangreatlyimprovethequalityofoperation.Inadditiontothebetterstaticbalanceperformanc

5、e,ahighperformancehapticmanipulatorshouldhavegooddynamictransparencytoensurethestatichapticaccuracy.Theinertiahasaseriouslyimpactondynamictransparencywhenthemanipulatormovedathighspeed.Therefore,themethodofreducingtheinfluenceoftheinertiahasbeenbecameakeypro

6、bleminthestudyofthehapticmanipulator.Acompletelystaticbalancedhapticmastermanipulatorwasinventedbyourteam,whichmainlysuitableforlowspeedapplicationsuchassurgicaloperation.Inthispaper,theweakimbalancemethodisusedtodealwiththegravityproblemtoimprovethedynamicp

7、erformance.Inordertofacilitatecomparison,theworkspaceandsizeofthemanipulatorisdesignedthatreferredtoafamousproduct.Whatismore,thewriststructureisimproved.Theweakimbalancedhapticmastermanipulatorhadabetterstaticbalancedperformance.Anditwouldnotaffecttheforcep

8、erceptionoftheoperatorwhileeffectivelyreducedtheapparentmass.Inordertofurtherreducetheinfluenceoftheinertiatoimprovethedynamictransparency,thetopologyoptimizationofthedeviceiscarriedout.Firstly,