● 摘要
基于力觉交互的牙科手术模拟系统用于牙科医生的培训中能够有效降低培训费用，提高培训效率，目前力觉交互设备性能是制约牙科手术模拟系统的重要因素，现有商用力觉交互设备用于牙科手术仿真时，不能同时满足高刚度、大输出力和大转动工作空间的要求。基于牙科手术仿真任务的需求，本文设计开发了一套6自由度力觉交互设备。本文首先通过对牙科手术模拟任务的需求分析，确定了面向牙科手术模拟任务的力觉交互设备的工作空间、最大输出力、虚拟刚度等性能的需求指标。根据设备的性能指标要求，完成了6自由度力觉交互设备的机构构型设计，采用一种新型6自由度机构方案，通过并联3-RRC机构与串联3R机构相结合，实现了平动与转动运动解耦。给出了所选机构的工作空间、输出力、分辨率等性能的分析方法及结果，设备工作空间可容纳边长100mm的立方体；任务工作空间内能实现10N力输出，最大可达25N；位置分辨率为0.1mm。同时本文通过实验验证了设备可模拟的最大虚拟刚度满足牙科手术5N/mm的需求。最后完成6自由度力觉交互设备的物理样机，并基于此样机搭建了牙科手术模拟系统。以末端等效重力及末端等效惯量为指标评价设备的反向驱动性能，对设备末端等效重力进行了补偿，实验结果表明，重力补偿可以有效提高设备的反向驱动性能。