六自由度串联式力反馈机械臂研发与应用研究

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1、工程硕士学位论文六自由度串联式力反馈机械臂研发与应用研究作者姓名刘家武工程领域机械工程校内指导教师李静蓉教授校外指导教师周雪峰副研究员所在学院机械与汽车工程学院论文提交日期2018年1月Researchandapplicationof6-DOFserialhapticfeedbackmanipulatorADissertationSubmittedfortheDegreeofMasterCandidate：LiuJiawuSupervisor：Prof.LiJingrongSouthChinaUniversityofTechnol

2、ogyGuangzhou,China分类号：TP391学校代号：10561学号：201521002201华南理工大学硕士学位论文六自由度串联式力反馈机械臂研发与应用研究作者姓名：刘家武指导教师姓名、职称：李静蓉教授校外指导教师姓名、职称：周雪峰副研究员申请学位级别：工程硕士工程领域名称：机械工程论文形式：产品研发工程设计应用研究工程/项目管理调研报告研究方向：数字化设计及制造论文提交日期：2018年01月03日论文答辩日期：2018年03月10日学位授予单位：华南理工大学学位授予日期：年月日答辩委员会成员：主席：王清辉委

3、员：李静蓉邱志成周雪峰张铁摘要作为虚拟装配应用中人机交互的关键，力反馈设备要求能够真实地再现虚拟环境中的力觉感知，使操作人员在高度沉浸的虚拟环境中依靠力觉反馈完成装配操作。目前，力反馈设备的研究主要集中在改善机构机型和系统控制等方面，而针对设备实用性和应用层面上的研究较少，导致其发展相对滞后，且至今国内没有商品化的力反馈产品。针对上述力反馈设备研究存在的问题，本文结合自主研发的六自由度串联式力反馈机械臂对其关键性能参数进行分析，分别建立了重力补偿模型和输出力补偿模型，并设计了末端无线采集系统，以提高力反馈机械臂的实用性。此外，针对

4、力反馈机械臂在虚拟机械装配中的应用，研究了基于螺栓连接的虚拟装配力觉交互算法，设计并实现了虚拟装配原型系统。主要工作的内容如下：（1）对力反馈机械臂进行运动/动力学分析，并根据分析结果修正机械臂的运动控制算法和反馈力控制算法。此外，为了完善机械臂的关键参数辨识，提出了最大输出力、最大连续输出力、位置分辨率和位置精度的仿真方法。（2）提升力反馈机械臂的实用性。首先设计无线末端角度采集系统，消除了交互过程中线缆的干扰；接着基于虚位移原理，研究机械臂重力补偿的方法，降低了用户操作的疲劳感。然后提出一种输出力补偿模型，提高了反馈力的准确性

5、。（3）根据机械臂在虚拟装配应用中交互过程的特点，将其分为自由操作、装配定位和装配约束三个阶段进行分析。其中，基于螺栓连接在装配约束阶段的受力特点，将装配约束阶段细分为导向阶段、过渡阶段、线性阶段和屈服阶段，并提出了适用于各阶段的输出力模型。（4）以数据手套和研发的力反馈机械臂作为交互接口，设计并开发了集成力觉反馈的虚拟装配原型系统，实现了虚拟装配过程中连续、真实的装配力觉反馈。此外，以减速器ZQ350箱盖上的螺栓装配为例，设计了两组对比实验，对虚拟装配系统的可行性进行了评估。关键词：力反馈机械臂；虚拟装配；力觉交互算法；重力补偿

6、IAbstractAsthekeyofthehuman-computerinteractioninthevirtualassembly(VA),thehapticdevicesarerequiredtheabilitytorealisticallyreproducetheforceperceptioninthevirtualenvironment,andenabletheuserstocompletetheassemblyoperationbythehapticfeedbackinthehighlyimmersivevirtual

7、environment.Atpresent,theresearchesofthehapticfeedbackdevicesmainlyfocusonimprovingthemachinetypeandthesystemcontrol.However,theresearchesonthepracticalityandapplicationofthedevicesarerelativelyfew,whichleadstoitslaggingdevelopment,andtherearenocommercializedhapticfee

8、dbackproductsyet.Aimingattheproblemsexistingintheresearchesofthehapticfeedbackdevices,thispaperanalyzedthekeyperformancepara