● 摘要
力觉交互技术是近年来机器人领域研究的一个重点，在手术模拟、机器人遥操作、产品设计、游戏娱乐等领域有广泛应用前景。本文从控制系统的角度研究提高力觉交互系统稳定性的有效方法，设计搭建了三自由度力觉交互装置的控制系统，并通过虚拟墙和牙科手术模拟实验验证了系统的性能；在此基础上研究开发了基于DSP的六自由度力觉交互装置控制器，并针对自主研发的力觉交互装置进行了力信号精插补和重力补偿算法的实验研究。 全文首先根据力觉交互装置控制系统的总体要求，设计了基于阻抗再现方式的控制结构，提出了控制系统设计方案，采用上下位机结合的方式，并进行了控制系统的硬件选型；设计了硬件系统功能调试实验，对电机电流和转矩进行了标定调试，并测试了电机电气时间常数；基于所搭建的硬件系统，完成了力觉交互装置控制系统的软件设计；最后通过虚拟墙和牙科手术模拟实验验证了控制系统性能。 其次，设计开发了基于DSP的六自由度力觉交互装置控制器，根据设计要求提出了控制器的总体架构，采用集散式控制方案，以高性能DSP芯片TMS320F2812为核心控制器，辅以D/A转换输出模块、编码器信号采集模块和USB数据通讯模块等外设，构成了控制器的硬件平台。在硬件设计的基础上，对控制器的底层控制软件进行了系统设计，并通过控制器各功能模块的软硬件调试，验证了控制器的性能指标。 最后，开展了力觉交互系统控制算法的研究。在深入分析了力觉交互系统特点的基础上，针对自主研发的力觉交互装置提出了力信号精插补和重力补偿的控制算法。通过原理性分析和计算，并在虚拟仿真软件中建模仿真验证，以及物理实验验证了算法的正确性。