摘要：针对现有颞骨手术术前培训手段存在的问题,设计了一种具有结构简单、位姿解耦、自重平衡特点的5自由度力反馈触感装置。其采用水平放置的平行四边形结构,使得前后和左右两个位置自由度均满足重力平衡;对于后3个姿态自由度,采用驱动电机补偿的方式实现了完全重力补偿,进而实现了整个触感装置完全重力平衡;在触感装置结构设计的基础上对触感装置开展了工作空间分析,针对触感装置的运动学模型问题,基于旋量法建立了触感装置的正逆运动学模型;利用该模型,通过推导其末端雅可比矩阵,建立了速度模型;最后,通过Matlab对机构的条件数进行了分析计算,对机构灵活性进行了评价。研究结果表明:所设计的机构满足工作空间需求,其灵活性较好、精度较高,验证了触感装置机构设计的合理性。

摘要：针对触感装置的非线性采用滑模控制对其进行控制研究,并设计干扰观测器对模型不确定性及外界干扰进行观测,为力位补偿打下基础,同时改善了系统控制性能。

摘要：针对现有颞骨手术术前培训手段存在的问题,设计了一种基于Unity3D的颞骨手术虚拟培训系统。首先,分析了触感装置的正运动学和推导了雅克比矩阵;其次,构建了基于Unity3D的手术钻和颞骨模型组成的虚拟环境,利用触感装置获取物理空间手术钻的位姿数据,对虚拟环境中手术钻和颞骨模型进行了碰撞检测。最后,采用弹簧阻尼模型对碰撞后产生的反馈力进行了分析计算,将该反馈力通过力雅可比矩阵计算,得到触感装置的实际关节力矩,通过控制实现在末端执行器上产生力反馈。研究表明:该系统具有良好的可操作性,能够提供较真切的触觉感知,达到较好的术前培训效果。