結(jié)合觸覺(jué)力反饋與變形可視化的柔性機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)分析.pdf

1、觸覺(jué)力反饋技術(shù)在傳統(tǒng)的機(jī)器人領(lǐng)域加入了“人”的參與作用和反饋感受，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程和虛擬環(huán)境下設(shè)計(jì)者參與的觸覺(jué)交互，主要用于在三維物理空間內(nèi)對(duì)遠(yuǎn)程/虛擬對(duì)象進(jìn)行操控。觸覺(jué)力反饋技術(shù)是多學(xué)科交叉生成的前沿技術(shù)，融合了計(jì)算機(jī)科學(xué)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、自動(dòng)化技術(shù)、信息技術(shù)、機(jī)器人和人機(jī)控制等多技術(shù)學(xué)科知識(shí)，被廣泛應(yīng)用在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)輔助外科手術(shù)和計(jì)算機(jī)輔助裝配等領(lǐng)域。力反饋技術(shù)的實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，實(shí)時(shí)的視覺(jué)仿真是相輔相成的，帶有觸覺(jué)反饋的可視化技術(shù)必須

2、實(shí)時(shí)獲取變形數(shù)據(jù)并反饋給環(huán)境以達(dá)到視覺(jué)觸覺(jué)的協(xié)調(diào)一致。雖然力反饋技術(shù)可在不同領(lǐng)域顯示出其不可比擬的優(yōu)勢(shì)，但本文的目的不是尋找某一特定應(yīng)用下的力反饋可視化求解，卻從基礎(chǔ)的科學(xué)研究出發(fā)，對(duì)三維空間內(nèi)全局大變形柔性體“實(shí)時(shí)交互”過(guò)程中的變形可視化和力反饋問(wèn)題進(jìn)行探討。
　　論文圍繞柔性機(jī)構(gòu)大變形下的實(shí)時(shí)力反饋可視化的實(shí)現(xiàn)，從數(shù)學(xué)建模、快速求解、硬件交互、實(shí)例驗(yàn)證和應(yīng)用等方面展開(kāi)研究，主要章節(jié)內(nèi)容如下:
　　第一章介紹了觸覺(jué)力反饋技

3、術(shù)的研究背景和發(fā)展前景，綜述了柔性機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)分析的研究現(xiàn)狀，引出結(jié)合觸覺(jué)力反饋與變形可視化的柔性機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)分析的研究必要性及應(yīng)用背景。闡述了本文的研究目的、意義和主要研究?jī)?nèi)容。
　　第二章分別在全局坐標(biāo)系和變形局部坐標(biāo)系下對(duì)比建立了非線性柔性桿件形變基本模型。借助獨(dú)立于坐標(biāo)系的空間曲率來(lái)描述曲線的彎曲和扭轉(zhuǎn)特性，完整表征對(duì)象的幾何形狀。對(duì)柔性梁的姿態(tài)，扭轉(zhuǎn)角，位移和力學(xué)性能等特征參量分別進(jìn)行對(duì)比建模，得到兩種坐標(biāo)系下的變形模型。

4、>　　第三章在第二章的基礎(chǔ)上，提出柔性機(jī)構(gòu)實(shí)時(shí)變形的曲率模型解耦方法。具體為:建立一種通用世界坐標(biāo)系下的降維離散狀態(tài)空間模型，基于曲率的結(jié)構(gòu)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(yùn)算，滿足變形可視化所需的實(shí)時(shí)計(jì)算。
　　第四章針對(duì)力反饋應(yīng)用的實(shí)時(shí)需求，提出了柔性機(jī)構(gòu)力反饋的動(dòng)態(tài)力位映射技術(shù)。以懸臂梁鎖緊件作為典型柔性機(jī)構(gòu)的研究對(duì)象，提出了基于接觸問(wèn)題的非線性力位關(guān)系求解方法，實(shí)現(xiàn)

5、了分段函數(shù)描述的復(fù)雜形狀柔性體的反饋力計(jì)算。同時(shí)，建立懸臂梁鎖緊件裝配件動(dòng)態(tài)移動(dòng)過(guò)程中的實(shí)時(shí)力位映射，為觸覺(jué)實(shí)景體驗(yàn)提供了可嵌入式的實(shí)時(shí)力反饋算法。
　　第五章提出結(jié)合觸覺(jué)評(píng)估的柔性機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)分析，實(shí)現(xiàn)虛擬環(huán)境下帶有用戶真實(shí)觸覺(jué)體驗(yàn)的柔性機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化流程。商用Phantom力反饋裝置以觸針作為目標(biāo)對(duì)象的載體，可在1KHz的高頻下檢測(cè)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(dòng)過(guò)程中的反饋力信息。通過(guò)將柔性機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)力位映射關(guān)系內(nèi)

6、嵌于永磁球形馬達(dá)數(shù)據(jù)接口，將其擴(kuò)展為多自由度力反饋設(shè)備。該基于球形鏈接的裝置通過(guò)位移/扭轉(zhuǎn)角的雙變量實(shí)時(shí)檢測(cè)，有效克服傳統(tǒng)串并聯(lián)結(jié)構(gòu)造成的受力不連續(xù)問(wèn)題，使球形馬達(dá)力反饋裝置更柔滑地模擬人手操作過(guò)程。
　　第六章采用兩個(gè)實(shí)例進(jìn)行驗(yàn)證分析。第一個(gè)實(shí)例將離散狀態(tài)空間模型與實(shí)時(shí)計(jì)算方法應(yīng)用在橋梁檢測(cè)智能小車(chē)的設(shè)計(jì)分析中，提出新的設(shè)計(jì)，使其在有限三維空間內(nèi)可自由彎曲和扭轉(zhuǎn)。通過(guò)與有限元分析和實(shí)驗(yàn)測(cè)量等離線分析結(jié)果結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜工況（如翻

7、越彎角）下變形可視化的求解驗(yàn)證;第二個(gè)實(shí)例將懸臂梁鎖緊件力反饋的動(dòng)態(tài)力位映射關(guān)系嵌入到硬件力反饋設(shè)備Phantom的底層數(shù)據(jù)接口，進(jìn)行虛擬環(huán)境下人機(jī)交互的觸感操作實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)證實(shí)虛擬環(huán)境下結(jié)合觸覺(jué)力反饋的柔性機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方法可設(shè)計(jì)滿足用戶需求的實(shí)用產(chǎn)品。在此基礎(chǔ)上，將柔性機(jī)構(gòu)反饋力求解模型內(nèi)嵌于永磁球形馬達(dá)數(shù)據(jù)接口，從而更真實(shí)地模擬了帶有觸覺(jué)反饋的多維懸臂梁鎖緊結(jié)構(gòu)的插套裝拆過(guò)程。
　　第七章為總結(jié)與展望。概括了論文的主要研究?jī)?nèi)容和創(chuàng)新