串联型力感设备的结构设计与优化

发布时间：2017-08-02 03:16

  本文关键词：串联型力感设备的结构设计与优化

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【摘要】：力感设备是一类提供力反映的装置，它可以向操作者再现遥远环境或虚拟环境中的力信息。一款性能优良的力感设备，在虚拟现实和遥操作领域中有很广泛的应用。课题组研发了一款用于微创手术的力感主手，该主手实现了完全重力平衡，在低速操作场合下具备了良好的性能。本文要在其基础上，主要考虑刚度、惯性力，设计一款适用于中高速操作场合的力感设备。 本文首先简要介绍了样机的组成及相关实验，并建立了样机的运动学模型。在样机构型基础上，根据工作空间等要求确定了新款设备的运动学尺寸。接着，对设备的刚度进行了分析，，分别对传动刚度和结构刚度进行了建模，结构刚度建模采用矩阵位移方法。在定量分析影响力感精度的因素后，采用表观质量作为惯性力的衡量指标；使用能量方法进行动力学建模，获得了表观质量的表达式。针对空心圆截面的构件，以刚度为约束条件、表观质量最小为优化目标，对构件的截面尺寸进行了优化。由于丝盘和手腕对整体惯量影响很大，采用渐进结构优化方法对丝盘进行了拓扑优化，并在样机手腕基础上改进了手腕结构。最后根据截面尺寸优化结果、丝盘拓扑优化结果和改进后的手腕结构，完成了新款设备的结构设计。经过分析，新款设备的刚度和表观质量达到预期的设计目标。
【关键词】：力感设备 刚度建模 表观质量 结构优化
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TH122
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-8
• 第一章 绪论8-17
• 1.1 课题背景与意义8-9
• 1.2 国内外研究现状9-12
• 1.2.1 商业化力感设备9-10
• 1.2.2 科研机构研究现状10-12
• 1.3 设计要求分析12-14
• 1.4 需要解决的问题14-15
• 1.5 本文研究内容15-17
• 第二章 运动学分析和设计17-29
• 2.1 引言17
• 2.2 样机简介17-21
• 2.2.1 机械部分17-18
• 2.2.2 控制系统18-19
• 2.2.3 重力平衡调节19
• 2.2.4 静力输出实验19-21
• 2.3 运动学分析21-22
• 2.4 可达工作空间分析22-23
• 2.5 最小可持续力分析23-25
• 2.5.1 XOZ 平面内最小可持续力23-24
• 2.5.2 Y 方向最小可持续力24-25
• 2.6 相关参数确定25-28
• 2.6.1 运动学尺寸25-26
• 2.6.2 传动比确定26-27
• 2.6.3 关节转角范围27-28
• 2.7 本章小结28-29
• 第三章 刚度建模29-39
• 3.1 引言29
• 3.2 传动刚度建模29-35
• 3.2.1 丝传动变形分析30-32
• 3.2.2 算例32-33
• 3.2.3 角刚度影响因素分析33-34
• 3.2.4 传动刚度计算34-35
• 3.3 结构刚度建模35-38
• 3.4 本章小结38-39
• 第四章 动力学建模及尺寸优化39-52
• 4.1 引言39
• 4.2 力感精度分析39-40
• 4.3 动力学建模40-44
• 4.3.1 重力平衡推导40-42
• 4.3.2 表观质量计算42-44
• 4.4 尺寸优化44-50
• 4.4.1 确定优化问题44-46
• 4.4.2 优化结果46-48
• 4.4.3 结果分析与验证48-50
• 4.5 本章小结50-52
• 第五章 结构设计与改进52-60
• 5.1 引言52
• 5.2 丝盘结构优化52-55
• 5.3 手腕及其它55-56
• 5.4 最终模型56-59
• 5.5 本章小结59-60
• 第六章 全文总结和展望60-62
• 6.1 总结60
• 6.2 展望60-62
• 参考文献62-66
• 发表论文和参加科研情况说明66-67
• 致谢67

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前2条

1 谢亿民;黄晓东;左志豪;唐继武;荣见华;;渐进结构优化法(ESO)和双向渐进结构优化法(BESO)的近期发展[J];力学进展;2011年04期

2 罗杨宇;陈恳;张玉茹;;机器人机构的反向可驱动性设计[J];机械工程学报;2007年06期

中国博士学位论文全文数据库 前1条

1 韩江义;带力觉反馈的主从式遥微操作系统研制与实验研究[D];南京航空航天大学;2010年

本文编号：607397