● 摘要
本文探讨并联力觉交互设备的性能评价和优化设计方法，提出了交互设备的奇异接近度测度、位姿分辨率、承载能力和任务空间等性能评价指标，研究了这些性能指标与设备尺寸参数、电机参数和码盘参数的内在关系，并以三自由度机构3-RRR和六自由度交互设备iFeel6-BH80为设计案例，验证了所提理论和方法的正确性。首先，针对交互设备在奇异位置及奇异位置附近，所需驱动力矩超过电机输出能力的物理特性，定义了一种静力学奇异接近度测度，从静力学意义上给出了度量非奇异位形与奇异位形接近程度的量化指标。在此基础上定义了拟奇异空间和无奇异空间，提出了无奇异任务空间设计方法，当操作末端处于拟奇异空间外时，即可避免奇异位形。其次，给出了操作末端位姿分辨率的定义和计算方法，分析了位姿分辨率与传感器码盘性能参数的关系。给出了末端位姿分辨率的定义，基于Rayleigh定理分析建立了位姿分辨率的数学模型，并出了设计满足给定位姿分辨率任务空间的步骤。第三，揭示了位姿分辨率和奇异接近度测度之间的数学关系，由此给出了计算满足位姿分辨率的无奇异任务空间的设计方法，并进一步给出了基于多岛遗传算法的优化方法，将该方法应用于3-RRR机构，得到了理想的结果。最后，针对出现的可达工作空间内无满足位姿分辨率点的问题，建立了满足性能指标的任务空间与码盘分辨率和电机输出力矩的数学模型，进而提出一种综合性能设计方法，该方法可以设计满足位姿分辨率、承载能力的无奇异任务空间。并利用DOE方法进行了设计空间的敏度分析，找出了主要影响参数。以iFeel6-BH80设备为例进行设计，优化结果证明了设计方法的有效性。本文系统地探讨了力觉交互设备的性能评价、设计和优化问题，对奇异接近度测度、位姿分辨率、承载能力、任务空间等性能进行了分析，为基于多指标的综合性能评价和设计提供可参考的方法。