多维操控器力觉感知机理与动态位姿耦合信号实时解耦方法研究

Multi-dimensional controller is an important interactive device of virtual reality technology. It has broad prospects of application fields of robot remote manipulation and three dimension design etc. This project adopts macro-motion parallel mechanism with redundant sensors for force perception of multi-dimensional controller. It studies the force perception method and the real time capturing and decoupling mechanism of dynamic coupled pose signals in space. By adding motion screw of the basic unit, it is possible to accurately obtain the output motion screw mathematic expressions of multi-dimensional controller. It also investigates the topology synthesis rules according to set theory. It aims to solve main body selection problem of multi-dimensional controller with three to six dimensional controller. By method of coordination curves, the inverse mapping models of task pose set to dynamic parameters and multi-dimensional coupled feedback forces to joint actuation forces are both established. Redundant sensors are adopted creatively to solve the forward kinematics problem of parallel mechanism. The allocation strategy for redundant sensors and driving motors is researched by multiple objectives swarm optimization method. It reveals the influence regularity of redundant sensor for calculation speed of multi-dimensional coupled dynamic signals and the feedback forces decoupling mechanism through individual driving forces. The method and theory for three to six dimensional controller design will be formed and it provides theoretical basis for the application and popularization in virtual reality fields.

多维操控器是虚拟现实技术中重要的交互设备，在机器人遥操作、三维设计等领域有着广阔应用前景。本项目采用具有冗余传感的宏动并联机构作为多维操控器力感机构，研究力觉感知的实现方法和空间动态位姿耦合信号实时捕获与解耦机理。通过基本单元运动螺旋的叠加，获得操控器输出运动螺旋的精确数学表达，结合集合论的思想探索操控器拓扑综合规律，解决三至六维不同维数的多维操控器力感机构选型问题。通过协调曲线法建立位姿集任务空间与动态参数、多维耦合反馈力与关节驱动力之间的逆向映射模型，创新性引入冗余传感解决并联机构位置正解解算的难题，采用多目标粒子群优化方法研究冗余传感器及驱动电动机的分配策略，揭示冗余传感对多维动态耦合信号解算速度的影响规律，以及通过独立驱动力实现耦合反馈力的解耦机理。最终形成一套适用于三维至六维通用操控器设计方法和理论，为其在虚拟现实等3D相关领域的普及应用奠定理论基础。

多维操控器是虚拟现实技术中重要的交互设备，在机器人遥操作、三维设计等领域有着广阔应用前景。本项目采用具有冗余传感的宏动并联机构作为多维操控器力感机构，研究力觉感知的实现方法和空间动态位姿耦合信号实时捕获与解耦机理。通过基本单元运动螺旋的叠加，获得操控器输出运动螺旋的精确数学表达，结合集合论的思想探索操控器拓扑综合规律，解决了三至六维不同维数的多维操控器力感机构选型问题。给出了RP、UR、UC、US、SS等二副运动链和3R、RPC、RPU、RPS、UPU、UPS等三副运动链的运动特性。在分析运动链的特性基础上，给出了控制器主体结构的型综合方法，创新设计了多达18种新型结构并申报了国家发明专利。通过协调曲线法建立位姿集任务空间与动态参数、多维耦合反馈力与关节驱动力之间的逆向映射模型，创新性引入冗余传感解决并联机构位置正解解算的难题，采用多目标粒子群优化方法研究冗余传感器及驱动电动机的分配策略，揭示冗余传感对多维动态耦合信号解算速度的影响规律，以及通过独立驱动力实现耦合反馈力的解耦机理。六维力反馈控制器系统刚度模型分析方面，提出一种基于线性回归与检验的不规则构件精确刚度矩阵建模方法。在相同外力作用下，对构件变形量应用该理论计算得到的刚度矩阵的理论计算值和ANSYS分析值进行了对比，结果表明最大误差仅为0.11%。基于约束条件和位置反解，利用一种搜索速度快、搜索精度高的改良极坐标搜索法绘制出了六维控制器定姿态工作空间的截面图和实体图。最后以内接于工作空间且高度H与直径D相等的圆柱体的直径为目标，利用全局搜索法得到一组最优机构参数，在机构整体尺寸基本不变情况下使工作空间的内接圆柱体直径增大40%，达到优化机构参数的目的。最终形成了一套适用于三维至六维通用操控器设计方法和理论，为其在虚拟现实等3D相关领域的普及应用奠定理论基础。