基于虚拟夹具的机械臂人机交互控制关键技术研究.pdf

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1、Classifiedlndex：TP241．2：U．D．C：621SouthwestUniverSityOfScienceandTechnoIogyMasterDegreeThesisKeyTechnoIogyResearchonHuman。_。ComputerInteractionControlofManipuIatorBasedonVirtuaIFixtureGrade：2011Candidate：WangJianxinAcademicDegreeAppIiedfor：MasterSpeciaIity：Co

2、ntroITheoryandControIEngiReeFingSupervisor：YangTao．ProfessorApr．14，2014独创性声明本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西南科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。签名：王始日期：力仟‘．午关于论文使用和授权的说明本

3、人完全了解西南科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留学位论文的复印件，允许该论文被查阅和借阅；学校可以公布该论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。(保密的学位论文在解密后应遵守此规定)签名：王导师签名：El期：删．六印西南科技大学硕士研究生学位论文第1页摘要虚拟夹具建模算法对于机械臂防撞性能的研究具有重要意义。在非结构环境下，可通过虚拟夹具限制机械臂末端的运动空间来防止机械臂与周围环境发生碰撞。本文在总结和归纳虚拟夹具在机器人领域的研究和应用现状后，给出了基于人工势场法

4、的虚拟夹具建模方法及机械臂控制仿真方案。利用3dsMax建立机械臂各连杆的三维模型，在MFC框架下采用OpenGL编程将机械臂模型导入仿真平台，并采用截面圆三角片元法构建虚拟夹具几何模型，实现机械臂模型和虚拟夹具的可视化。在机械臂运动学和动力学基础上，建立了基于D．H参数法的6自由度机械臂数学模型，并对6自由度机械臂的运动学正逆解方程与动力学方程进行了详细推导。在虚拟夹具管道内部建立人工势场，根据机械臂末端与虚拟夹具的相对位置关系，实时计算末端所受虚拟力，并以视觉反馈的形式将虚拟力方向予以显示。在虚拟夹具几何约

5、束机械臂运动空间的基础上，计算出虚拟力对各关节转轴的力矩，通过与各关节驱动力矩进行实时比较，实现了采用虚拟夹具对机械臂运动空间进行限制的方法。基于上述各功能模块在VS2008平台上利用MFC结合OpenGL的技术，开发了一个机械臂实时控制仿真演示系统。该系统通过友好的人机交互界面，控制机械臂在虚拟环境下的实时运动，对机械臂的实时位姿状态予以可视化，并验证了文中所设计算法的有效性。本文所采用的基于虚拟夹具限制机械臂末端运动空间的方法，不仅可在虚拟环境下实现对机械臂运动的限制，也可在真实环境下根据从端机械臂与实际接

6、触力实现对机械臂运动的限制，具有较为广泛的应用前景。关键词：虚拟夹具机械臂人工势场OpenGL运动学动力学西南科技大学硕士研究生学位论文第1I页AbstractModelingalgorithmofvirtualfixtureissignificanttothestudyoncollisionavoidanceofmanipulator．Inthecaseoftheunstructuredenvironment，virtualfixturecanbeusedtopreventtheend．effectorfro

7、mcollisionwiththesurroundingenvironmentbyrestrictingitsmotion·space．Accordingtotheresearchandapplicationofvirtualfixtureinthefieldofrobots，thispaperpresentsamodelingalgorithmbasedonartificialpotentialfieldandcontrolsimulationprogramformanipulator．Toachievevi

8、sualization，intheframeworkofMFC，the3Dvirtualmodelsofeachconnectingrodofmanipulatordesignedin3dsMaxareimportedtotheprogrammeofOpenGL，andthegeometricmodelofthevirtualfixtureisestablishedwiththemet