● 摘要
基于力反馈的空间机械臂遥操作系统能够在视觉通道的基础上向专业操作人员提供规律性的反馈力，使操作者能够感知机械臂与从端环境的交互状态，获取逼真、沉浸式的临场操作感觉，便于完成各种环境未知、复杂、难度高、安全性要求高的任务。具备力反馈功能的主端控制手柄是实现上述遥操作的基础和关键，它不仅要能够采集人手的运动信息来控制从端机械臂的运动，还能够向操作者输出反馈力。
针对这一需求，本文研制了三自由度力反馈手柄，应用于空间机械臂的遥操作和主端力觉交互，并探索了其中的关键技术，包括机构构型选择、实时运动学和静力学解算、力觉渲染算法和结构设计要点等，总结出了面向机械臂遥操作的力反馈手柄设计技术要点和控制方法，为同类力反馈主端设备的研制提供了依据。
本文首先确定了力反馈手柄的机构构型，并分析了其运动学和静力学求解模型，以机构灵活度为指标确定了机构的运动学尺寸参数，并分析了机构的传力特性。
其次，提出了3-RRR球面并联机构的正运动学数值解法，能够同时满足力渲染计算高精度和高实时性要求。针对3-RRR球面并联机构正运动学解析法运算复杂、速度较慢的缺点，提出了一种基于空间细分和神经网络的“粗估算-精解算”的双网络算法，极大地提高了计算精度和速度，适用于基于嵌入式平台搭建的力反馈设备控制系统
然后，面向有益触觉、状态监测和从端感知三种任务状态，研究了手柄的力渲染算法。提出了手柄自动复位的控制模型，将人工势场法引入了机械臂遥操作的反馈力计算，能够有效引导操作者完成精密装配或对准等任务，研究了采用振动反馈作为状态警示信号，并通过实验确定了适于人手感知的振动幅值和频率。
最后，完成了力反馈手柄的原理样机的设计，搭建了驱动和控制系统，并基于虚拟现实技术开发了机械臂遥操作仿真平台，通过实验验证了力反馈手柄的各项功能和力渲染算法的有效性。