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具有力反馈功能的多维控制器在人机交互,遥操作、虚拟现实、主从式机器人等领域扮演着重要角色,直接决定了主从式机器人的控制效果和遥操作系统的操作性能。本文以具有力反馈功能的新型六自由度控制器为研究对象,主要完成了以下几部分工作: (1)针对多维控制器的设计要求,设计了一种适用于多维控制器的新型六自由度并联机构,该机构的优点是:结构简洁,易于加工制造;所有驱动电机均置于机架上,动力性能好;针对该并联机构正解求解复杂,求解速度慢,及具有多解性等问题,本文采用冗余传感器法求解该新型并联机构的位置正解,这种方法求解速度快,能够确定并联机构末端的精确位姿,保证了多维控制器位置控制的实时性和精确性;在位置正解的基础上建立逆运动学方程并得到位置反解的解析解,为多维控制器实现精准的位置控制做好了准备。 (2)在运动学的基础上,对影响系数法进行了扩展应用,将影响系数法应用到支链为混联运动链的并联机构,计算出了新型并联机构的一阶、二阶影响系数矩阵,并建立了机构速度和加速度模型;基于影响系数矩阵,采用Newton-Euler法,建立了考虑构件重力,惯性力,控制器操作手柄受力的动态静力学数学模型,为多维控制器实现力反馈提供了理论基础。 (3)提出了一种搜索速度快、搜索精度高的改良极坐标搜索法,并利用该搜索法绘制出了并联机构定姿态工作空间的截面图和实体图。以内接于工作空间且高度H与直径D相等的圆柱体的直径为目标,获得结构参数与工作空间直径的关系曲线,并关系曲线给出十组工作空间大的机构参数,为六维控制器的设计提供了参考。 (4)利用ADAMS仿真软件,对多维控制器进行了运动学和动态静力学仿真实验,通过仿真实验结果与MATLAB计算结果的对比分析,验证了运动学和动态静力学数学模型的正确性,证实了利用本文运动学和静态动力学模型,能够实现多维控制器精确的位置控制及反馈力控制。 本课题的研究成果为具有力反馈功能的多维控制器的设计和控制奠定了理论基础。