● 摘要
本文通过设计和研究具有三个自由度力反馈和三个自由度力矩反馈的六自由度力觉交互实验样机，以期将其应用于具有力觉和图形显示功能的牙科手术培训系统，改进牙医培训方式，提高牙医培训的逼真度。本文分析了六自由度力觉交互装置的研究现状，基于牙科手术培训的具体需求和国内外触觉心理学/触觉生理学等方面的研究成果，提出了六自由度力觉交互装置的性能指标，确定了采用6-RSS机构构型、采用桌面式放置等方案。针对了桌面式放置的力觉交互装置要求其整体尺寸不宜过大和满足六自由度力觉交互装置任务工作空间的问题，提出了以6-RSS并联机构工作空间体积最大化为目标对6-RSS机构的机构尺寸进行了优化的方法，得到出了一组相对最优的机构参数值，同时满足了任务工作空间和整体尺寸的要求。针对传统球副转角范围小，对并联机构工作空间限制大的问题，提出了一种复合球副结构的设计方法，在考虑复合球副具体结构约束的情况下，进行了复合球副极限转角的设计，设计的复合球副结构满足了6-RSS并联机构工作空间求解中的复合球副约束条件，简化了6-RSS并联机构工作空间的求解算法。基于本文设计的六自由度力觉交互装置末端可以更换的事实和力觉交互装置要求质量轻惯性小的问题，本文提出了基于拉格朗日动力学模型的重力补偿算法，并对重力补偿算法进行了仿真验证，仿真结果验证了重力补偿算法的正确性，可以实现六自由度力觉交互装置在工作空间内的重力自平衡。基于六自由度力觉交互装置采用钢丝绳传动的事实，研究了钢丝绳传动引起的装置刚度和连杆变形引起装置刚度，对比分析了两种因素的影响，得到了钢丝绳传动引起的刚度是决定力觉交互装置刚度的主要因素，从而为力觉交互装置的设计提供了指导。本文探索了六自由度力觉交互装置设计的相关问题，研发了六自由度力觉交互实验样机，并对其性能进行了验证，对力觉交互装置的设计提供了进一步的指导建议，是深入研究力觉交互装置的基础。