力反馈技术是一种重要的人机交互通道,在虚拟装配、辅助医疗手术、空间遥操作等领域发挥着重要作用。融合力觉反馈信息后,操作者可以感知交互过程中的力、硬度等物理信息,获得真实的体验感,进一步指导操作者完成操作任务和判断决策。作为人机交互的接口,力反馈设备的性能直接影响操作者交互过程的体验感以及完成操作任务的流畅度,因此需要对设备的运动学与动力学建模、重力补偿和反馈力误差补偿方法等关键技术及关键交互性能指标进行研究。本文基于实验室前期自主开发的力反馈设备,设计了串联式腕部姿态采集系统,对设备的重力补偿、反馈力误差补偿方法等关键技术进行研究,分析力反馈设备的关键交互性能,搭建实验测量系统完成验证实验。本文主要研究内容如下:(1)力反馈设备腕部姿态采集机构及系统设计,设备运动学、动力学建模与仿真分析。根据人体工程学指标,设计了三自由度腕部姿态机构及其信号采集系统,获取操作者手部姿态信息;建立设备的运动学和动力学模型,搭建ADAMS虚拟样机,采用理论计算与虚拟仿真联合分析方法,验证运动学、动力学模型的正确性,分析动力学公式中各支链关节转矩消耗占比特性。(2)研究力反馈设备的力觉补偿方法,提高操作设备时对力觉感知的透明性。首先,提出基于静力学分析的主动重力补偿方法;为了降低电机负载,根据主动重力补偿转矩消耗特点,提出基于弹簧结构的被动重力补偿方法,采用粒子群算法优化弹簧结构参数;进一步,提出一种主被动结合的重力补偿方法。另外,归纳设备的反馈力误差产生机理,提出基于RBF神经网络的前馈式反馈力误差补偿方法,提高设备反馈力的准确性。(3)研究力反馈设备的输出力和可操作性关键交互性能指标。首先,提出计及重力补偿影响的输出力性能分析方法,计算设备的输出力范围,结合仿真实验结果,证明主被动结合重力补偿方法的优势。然后,采用基于雅可比矩阵条件数的全局灵巧度指标,结合灵巧度在设备运动空间中的分布特点,验证力反馈设备具有良好的可操作性。(4)验证重力补偿和反馈力误差补偿方法的实际效果。首先,设计并搭建集成多自由度运动模组、智能显示仪表、力传感器的实验测量系统,完成测量和实验数据采集。然后,结合实验和数据分析结果,证明所提出的力觉补偿方法能够有效补偿设备自身的重力、降低反馈力的误差,提高设备输出力的透明度。