用于空间机械臂遥操作的力反馈手柄的开发

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1、中图分类号：TP242.3论文编号：10006SY1207306硕士学位论文用于空间机械臂遥操作的力反馈手柄的开发作者姓名颉征学科专业机械工程指导教师刘冠阳培养院系机械工程及自动化学院DevelopmentoftheHapticJoystickforSpaceTele-OperationADissertationSubmittedfortheDegreeofMasterCandidate:XieZhengSupervisor:LiuGuanyangSchoolofMechanicalEngineering&AutomationBeihangUniversity,Beiji

2、ng,China中图分类号：TP242.3论文编号：10006SY1207306硕士学位论文用于空间机械臂遥操作的力反馈手柄的开发作者姓名颉征申请学位级别工学硕士指导教师姓名刘冠阳职称讲师学科专业机械工程研究方向机器人技术学习时间自2012年09月10日起至2015年06月01日止论文提交日期2015年05月20日论文答辩日期2015年06月06日学位授予单位北京航空航天大学学位授予日期年月日关于学位论文的独创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外，本论文不

3、包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得北京航空航天大学或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。学位论文作者签名：日期：年月日学位论文使用授权书本人完全同意北京航空航天大学有权使用本学位论文（包括但不限于其印刷版和电子版），使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门（机构）送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩印或其他复制

4、手段保存学位论文。保密学位论文在解密后的使用授权同上。学位论文作者签名：日期：年月日指导教师签名：日期：年月日摘要随着我国空间机械臂技术研究的不断深入，专业人员将可以通过大尺寸空间机械臂遥操作的方式完成空间站舱外设备的安装、更换、维护，空间站舱段转位与辅助对接，以及有效载荷的运送等工作。要求空间机械臂遥操作系统具有向操作者提供有益的力觉信息的能力，以提高遥操作系统的临场感和透明感，帮助专业人员操控空间机械臂完成精细动作。针对空间机械臂遥操作任务的需要，本文面向专用力觉交互设备展开研究工作，设计了用于机械臂末端位置控制的三自由度平动力反馈手柄样机，探索并研究了手柄设计中的关

5、键问题，包括构型选择，运动学、速度、奇异位形分析，尺寸参数综合，机械结构和控制系统设计和虚拟力渲染模型，完成样机功能验证实验。主要研究内容如下：首先，根据遥操作的任务特点，分析并确定力反馈手柄详细设计指标。采用DELTA机构作为手柄机械构型，完成DELTA机构自由度、正、反向运动学、速度和奇异位形的分析，为尺寸综合，机械设计及手柄的运动、力控制提供可靠的基础。其次，提出了基于遗传算法的分步式尺寸综合方法。该方法将DELTA机构力反馈设备作为研究对象，在外形尺寸、任务空间和最大连续输出力的约束下，以提高任务空间内全域力各向同性度为目标，分三个步骤使用遗传算法确定了手柄设计的

6、全部尺寸参数，并完成机构模型的验证工作。再次，完成力反馈手柄系统的详细设计工作。手柄机械结构分为基座、传动、末端、限位等不同模块组件进行设计和介绍。基于实验室研发的力反馈设备控制卡，完成控制系统硬件的选型和搭建，编写用于手柄调试的上位机软件。最后，面向空间机械臂遥操作任务中力觉交互的需求，研究了力反馈手柄的重力补偿、自动复位和虚拟刚度模型，并分别进行了实验验证。建立虚拟机械臂遥操作场景，提出虚拟操作辅助力和环境交互力模型，完成舱体与空间站轴孔对接任务实验。关键词：平动力反馈手柄，尺寸综合，DELTA机构，重力补偿，遥操作IIIAbstractWiththedeeprese

7、archofChina'sSpaceManipulator,theprofessionalswillbeabletocompletetheequipmentinstallation,replacementandmaintenanceoutsidetheSpaceStation,transpositionandauxiliarydockingofthebaysections,andtransportationofthepayloadandsoon.Spacemanipulatorteleoperationsystemisrequ