目次2011,9(1).pdf

数数字制造科学S H U Z IZ H I Z A OK E X U Ewww.d i g i m a n u s c i.c o m2 0 0 3年创刊暋季刊2 0 1 1,9(1)2 0 1 1年3月2 5日出版I S S N1 6 7 2-3 2 3 6C N4 2-1 6 9 3/T P学术支持单位国家自然科学基金委员会材料与工程学部国家C I M S工程技术研究中心机械制造系统国家重点实验室工业装备结构分析国家重点实验室机械传动国家重点实验室材料成形及模具技术国家重点实验室牵引动力国家重点实验室国家数控系统工程技术研究中心国家企业信息化应用支撑软件工程技术研究中心8 6 3高技术C I M S设计自动化工程重点实验室光纤传感技术国家工业试验基地武汉钢铁集团公司技术研究中心中国四联仪器仪表集团有限公司技术研究中心湖北省机械传动与制造工程重点实验室广东省C I M S重点实验室主暋暋暋管暋中华人民共和国教育部主暋暋暋办暋武汉理工大学荣 誉 主 编暋熊有伦学 术 顾 问暋雷源忠出 版 顾 问暋华婉君主暋暋暋编暋周祖德责 任 编 辑暋王汉熙编暋 暋辑暋刘暋凯外 文 编 辑暋珞珈人翻译公司编 辑 出 版暋 数字制造科学 编辑部邮暋暋暋箱暋d m s 2 0 0 51 6 3.c o m电暋暋暋话暋0 2 7-8 7 1 6 5 1 0 6联 系 地 址暋4 3 0 0 7 0武汉市暋珞狮路暋 2 0 5号1 1 6信箱销售定价暋8 0元人民币/期册目暋暋次力觉交互系统稳定性研究张玉茹暋王党校暋戴晓伟,等(1)C o n t e n t sS t a b i l i t yo fH a p t i c I n t e r a c t i o nS y s t e m sZ h a n gY u r u,W a n gD a n g x i a o,D a iX i a o w e i,e t a l.(1)S o mm a i r eR e c h e r c h ed e l as t a b i l i t 湨d us y t 湪 m ed暞i n t e r a c t i o nh a p t i q u eZ h a n gY u r u,W a n gD a n g x i a o,D a iX i a o w e i,e t c.(1)I n h a l t s v e r z e i c h n i sS t a b i l i t 昡 td e sh a p t i s c h e nI n t e r a k t i o n s s y s t e m sZ h a n gY u r u,W a n gD a n g x i a o,D a iX i a o w e i,u s w.(1)目暋暋次力覚相互作用櫡櫣櫰權樜安定性標樐槫樒樜研究張暋玉茹,王暋党校,戴暋暁偉,他(1)洩 涄 浾 浿 涇 涖洩 洺 洺 洯 洣洢洶 洠 洝洴洩 洣 洺 洿 洝 洟 洩洯 浘洴洶 洺 洿 洩 洺 洩 洺 洿 洣洰浗 洠 洨 洝洩洰洶洢洣洬 洺 洿 洠 洩浟洠 洩洯洶 洠 洶 洡 洶洶 浌 浀 洠 洺 洿 洠 洯 洣 洴洩 浟浌涁 浹 涍浝 涆 涁涘,洠 浹 涍洢浹 涍 涖 涶 涏,洢浹 涆洺 涶 涏 浻 涳 涆,涄 浾 p.(1)1D i g i t a lM a n u f a c t u r eS c i e n c e2 0 1 1,9(1)暋P u b l i s h e d3.2 5,2 0 1 1S u p e r v i s e db y 暋M i n i s t r yo fE d u c a t i o nP.R.CS p o n s o r e db y 暋Wu h a nU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g yE d i t e da n dP u b l i s h e db yE d i t o r i a lB o a r do fD i g i t a lM a n u f a c t u r eS c i e n c eA d d r e s s 暋WUT.2 0 5L u o s h iR o a d,Wu h a n4 3 0 0 7 0,C h i n aE 灢 m a i l暋d m s 2 0 0 51 6 3.c o mT e l e p h o n e 暋暋 8 6-2 7-8 7 1 6 5 1 0 6I S S N1 6 7 2-3 2 3 6C N4 2-1 6 9 3/T PQ u a r t e r l yS t a r t e d i n2 0 0 3H o n o r a r yE d i t o r 灢 i n 灢 C h i e f 暋X i o n gY o u l u nA c a d e m i cA d v i s o r 暋L e iY u a n z h o n gP u b l i s h i n gA d v i s o r 暋H u aW a n j u nE d i t o r 灢 i n 灢 C h i e f 暋Z h o uZ u d eM a n a g i n gE d i t o r 暋W a n gH a n x iE d i t o r 暋L i uK a iE n g l i s hE d i t o r 暋崥崥崥崥崥崥崥崥崥崥崥崥崥崥崥崥崥崥崥崥崥崥崥崥崥崥崥崥崥崥崥崥崥崥崥崥崥崥崥崥崥崥崥崥崥崥崥崥崥崥C h e nJ i n x i nS t a b i l i t yo fH a p t i c I n t e r a c t i o nS y s t e m s*Z h a n gY u r u,W a n gD a n g x i a o,D a iX i a o w e i,WuJ u n,Y uG eZ h a n gY u r u暋D o c t o ro fE n g i n e e r i n g,P r o c e s s o r,S c h o o lo f M e c h a n i c a lE n g i n e e r i n ga n d A u t o m a t i o n,B e i j i n gU n i v e r s i t yo fA e r o n a u t i c s&A s t r o n a u t i c s,B e i j i n g,1 0 0 1 9 1,y u r u b u a a.e d u.c nW a n gD a n g x i a o暋D o c t o ro fE n g i n e e r i n g,A s s o c i a t eP r o c e s s o r,S c h o o lo f M e c h a n i c a lE n g i n e e r i n ga n dA u t o m a t i o n,B e i j i n g U n i v e r s i t yo fA e r o n a u t i c s&A s t r o n a u t i c s,B e i j i n g,1 0 0 1 9 1,h a p t i c w a n gb u a a.e d u.c nD a iX i a o w e i 暋D o c t o r a l c a n d i d a t e,S c h o o l o fM e c h a n i c a lE n g i n e e r i n ga n dA u t o m a t i o n,B e i j i n gU n i v e r s i t yo fA e r o n a u t i c s&A s t r o n a u t i c s,B e i j i n g,1 0 0 1 9 1,d a i x wm e.b u a a.e d u.c nWuJ u n暋D o c t o r a lc a n d i d a t e,S c h o o lo fM e c h a n i c a lE n g i n e e r i n ga n dA u t o m a t i o n,B e i j i n g U n i v e r s i t yo fA e r o n a u t i c s&A s t r o n a u t i c s,B e i j i n g,1 0 0 1 9 1,w u j u n m e.b u a a.e d u.c nY uG e暋D o c t o r a lc a n d i d a t e,S c h o o lo f M e c h a n i c a lE n g i n e e r i n ga n d A u t o m a t i o n,B e i j i n g U n i v e r s i t yo fA e r o n a u t i c s&A s t r o n a u t i c s,B e i j i n g,1 0 0 1 9 1,y u g e a s p e.b u a a.e d u.c n*F u n d e db yt h ep r o j e c t“S t a b i l i t yo fH a p t i cI n t e r a c t i o nS y s t e mf o rD e n t a lS u r g e r yS i m u l a t i o n暠(N o.5 0 5 7 5 0 1 1)a n dt h e p r o j e c t“D e x t e r o u s M o t o r S k i l l T r a i n i n g M e t h o d B a s e d o n B i 灢 m o d e H a p t i cI n t e r a c t i o n暠(N o.6 0 6 0 5 0 2 7)s u p p o r t e db yt h eN a t i o n a lN a t u r a lS c i e n c eF o u n d a t i o no fC h i n aT h ep r o j e c t“H a p t i cR e n d e r i n ga n dV i s u o 灢 h a p t i cC o l l o c a t i o nf o rH a n d 灢 e y eC o o r d i n a t e d M a n i p u l a t i o n暠(N o.2 0 0 7 AA 0 1 Z 3 1 0)s u p p o r t e db yN a t i o n a lH i g hT e c h n o l o g yR e s e a r c ha n dD e v e l o p m e n tP r o g r a mo fC h i n a(8 6 3P r o g r a m)A b s t r a c t:S p o n s o r e d b yt h e N a t i o n a l N a t u r a lS c i e n c e F o u n d a t i o n P r o j e c t“S t a b i l i t y o f H a p t i cI n t e r a c t i o nS y s t e mf o rD e n t a l S u r g e r yS i m u l a t i o n暠,“D e x t e r o u sM o t o rS k i l lT r a i n i n gM e t h o dB a s e do nB i灢m o d eH a p t i c I n t e r a c t i o n暠a n 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t i o no f t h eh a p t i cd e v i c e.S i m i l a r l y,b i gc o n t a c t s t i f f n e s s l e d t ov i b r a t i o no f t h eh a p t i cd e v i c ew h e n t h ed e n t a lb u r r i n ga n dd r i l l i n go p e r a t i o nw a ss i m u l a t e d.T h ea b o v ev i b r a t i o nc a u s e db yb i gs t i f f n e s sc a nb er e d u c e do r e l i m i n a t e db yd e c r e a s e t h e c o n t a c t s t i f f n e s s.H o w e v e r,t h e f i d e l i t yo f t h eh a p t i c i n t e r a c t i o nw i l lb ed e c r e a s e db e c a u s eo f t h em a g n i t u d eo f t h ec o n t a c t f o r c ew i l l c h a n g ew h e nas m a l l e r s t i f f n e s s i su t i l i z e d.T h e r e f o r e,t h ek e yp r o b l e mf o rs o l v i n gt h es t a b i l i t yp r o b l e mi s t oe x p l o r et h eu n d e r l y i n gm e c h a n i s mt h a tl e a d s t o i n s t a b i l i t ya n di n t r o d u c eas t a b l eh a p t i cc o n t r o la n dr e n d e r i n gm e t h o d,a n da tt h es a m et i m et op r e s e r v e t h e f i d e l i t yo f t h eh a p t i c i n t e r a c t i o n.B a s e do nt h ea n a l y s i so fs y s t e m c o m p o n e n t s,t h e h u m a n o p e r a t o r w a sa s s u m e d a sa p a s s i v ec o m p o n e n t,a n dt h es t a b i l i t yp r o b l e m w a sd e c o u p l e di n t ot w oc o m p o n e n t s:s t a b i l i t yo fh a p t i cd e v i c ea n ds t a b i l i t yo fh a p t i cr e n d e r i n ga l g o r i t h m s.B e n c h m a r kt a s ka n dp e r f o r m a n c em e t r i c sf o re a c hc o m p o n e n tw e r ed e f i n e d,a n dt h u s m a d et h e d e s i g n a n d d e b u g o fa h a p t i ci n t e r a c t i o n s y s t e m b e c o m ee a s i l yi m p l e m e n t e d.I nt h ea s p e c to fh a p t i cd e v i c e,t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h es t a b i l i t ya n dt h ep e r f o r m a n c eo fm u l t i 灢d e g r e e 灢 o f 灢 f r e e d o mh a p t i cd e v i c ew a sd i s c u s s e d.T h ei n f l u e n c e so fc o n t r o lp a r a m e t e r so ns t a b i l i t y w e r ea n a l y z e d,a n dc o n t r o la l g o r i t h m sw e r ei n t r o d u c e dt oi m p r o v et h es t a b i l i t y.B a s e do nt h es t u d y,i tw a sf o u n dt h a t s t a b i l i t yo fh a p t i c i n t e r a c t i o ns y s t e m sc o u l db e i m p r o v e db yc h a n g i n gt h ep h y s i c a lp a r a m e t e r sa n dc o n t r o ls t r a t e g y.C u r r e n tC l o s e dL o o pC o n t r o l(C C L C)a n d m u l t i 灢 r a t ec o n t r o lw e r ei n t r o d u c e dt oi m p r o v es t a b i l i t yo fh a p t i c i n t e r a c t i o ns y s t e m s.T h ep r i n c i p l eo ft h eC C L Ci st oa d dc u r r e n ts e n s o ri nt h ec o n t r o ll o o po ft h e m o t o r.C u r r e n ti sm e a s u r e da n d f e e d b a c k t o t h em o t o r,a n d t h u s t h ed i f f e r e n c eb e t w e e n t h e a c t u a l t o r q u e a n de x p e c t e dc a nb eu s e da s a c o n t r o l s i g n a l t o c o n t r o l t h em o t o r.T h ep r i n c i p l eo f t h em u l t i灢r a t e c o n t r o l i s t op r e d i c t t h eo u t p u tf o r c eo f t h em o t o ra tah i g h e ru p d a t er a t ei nt h ec o n t r o l l e ro ft h eh a p t i cd e v i c e,w i t h o u tr e q u i r i n gh i g hu p d a t er a t eb e t w e e nt h ec o m p u t e ra n dt h ec o n t r o l l e r.T h e i n c r e m e n t a l c h a n g eo f t h e f e e d b a c kf o r c es i g n a li s i n t e r p o l a t e da c c o r d i n g t o t h ep o s i t i o na n do r i e n t a t i o ns i g n a l o f t h eh a p t i cd e v i c e,a n d t h u s t oa c h i e v eh i g hu p d a t er a t eo f t h e f e e d b a c kf o r c e.E x p e r i m e n t sb a s e do no u rh a p t i cd e v i c e(3D O F)w e r ec a r r i e do u t.E x p e r i m e n tr e s u l t sv a l i d a t et h ee f f e c t i v e n e s so f t h eC C L Ca n dm u l t i灢r a t ec o n t r o lm e t h o d.I tw a sf o u n dt h a tt h em a x i m u ms t i f f n e s so fah a p t i cd e v i c e i sn o to n l yd e p e n d e n to nt h ep o s i t i o no ft h eh a p t i cd e v i c e st i p,b u ta l s od e p e n d e n to nt h eo r i e n t a t i o no f t h ev i r t u a lw a l l,i.e.t h ed i r e c t i o no f t h ev i r t u a l f e e d b a c kf o r c e.T h es p a t i a ld i s t r i b u t i o no fm a x i m u m s t i f f n e s sa l o n g d i f f e r e n to r i e n t a t i o n s w a s m e a s u r e d a td i f f e r e n tl o c a t i o n st h r o u g h o u tt h ew o r k s p a c eo f t h eh a p t i cd e v i c e.I nt h ea s p e c to fh a p t i cr e n d e r i n ga l g o r i t h m s,t h eu n d e r l y i n gm e c h a n i s mt h a t l e a d st oi n s t a b i l i t yw a sd i s c o v e r e dt h r o u g hi n t r o d u c i n gt h ec o n c e p to fd y n a m i cu n i l a t e r a lc o n s t r a i n tt o m o d e lc o m p l e xv i r t u a le n v i r o n m e n t s.s e v e r a lp a r a m e t e r s w h i c hd e t e r m i n es t a b i l i t y w e r ef o u n d,i n c l u d i n ge q u i v a l e n tc o n t a c ts t i f f n e s s,t h eg r a d i e n to f t h ep o s i t i o no f t h ed y n a m i cu n i l a t e r a l c o n s t r a i n t,a n dt h eg r a d i e n to f t h en o r m a lo f t h ed y n a m i cu n i l a t e r a lc o n s t r a i n t.B a s e do nt h e s ef i n d i n g s,a ne q u i v a l e n ti m p e d a n c eb a s e ds t a b i l i t ya l g o r i t h m w a s i n t r o d u c e dt oe n s u r es t a b i l i t yo fh a p t i cr e n d e r i n g.Av e l o c i t y 灢d r i v e nd i s c r e t el e v e l灢o f灢d e t a i lh a p t i cr e n d e r i n ga l g o r i t h m w a sp r o p o s e df o rc o m p l e xs c e n e s,w h i c hc a na c h i e v eat r a d e o f fb e t w e e nc o m p u t a t i o ne f f i c i e n c ya n dc o m p u t a t i o n a ls t a b i l i t y.T h eh i e r a r c h i c a lm o d e lo fo b j e c t sw a sc o n s t r u c t e do f f l i n e,a n dt h ev e l o c i t yt h r e s h o l dw a sd e t e r m i n e db ys u b j e c t i v ee x p e r i m e n t s.A m a p p i n g m e t h o dw a s3数字制造科学,2 0 1 1,9(1)摘要i n t r o d u c e dt oa v o i dt h ej u m po ft h es u r f a c ec o n t a c tp o i n ta tt h es w i t c ho ft h eo b j e c t l e v e l s,a n dt h u st oa v o i dt h ev i b r a t i o no f t h ef o r c es i g n a l.T h ep r o p o s e de q u i v a l e n t i m p e d a n c eb a s e ds t a b i l i t ya l g o r i t h ma n dt h ev e l o c i t y 灢d r i v e nd i s c r e t el e v e l灢o f灢d e t a i lh a p t i cr e n d e r i n ga l g o r i t h m h a db e e nv a l i d a t e di no u rd e n t a lt r a i n i n gs i m u l a t o r.Ag r e yr e g i o nm e t h o dw a s i n t r o d u c e d t oe n s u r e t h e c o n t i n u i t yo f f o r c e s i g n a lw h e nd e t e c t i n gb o u n d a r yb e t w e e nm u l t i p l et i s s u e so w n i n gd i f f e r e n tp h y s i c a lp r o p e r t i e s.T h i sm e t h o dw a su t i l i z e dt os i m u l a t et h ee x p l o r a t i o no fc r o s s灢s e c t i o no ft e e t ha n dd e c a yt i s s u e.A v o l u m e灢b a s e d m a t e r i a lr e m o v a lm e t h o d w a si n t r o d u c e dt os i m u l a t eh a p t i ci n t e r a c t i o nw h i c hi n v o l v e st o p o l o g yc h a n g es u c ha sd e n t a ld r i l l i n g.H i g he f f i c i e n tm a t e r i a lr e m o v a la n d m o d e lu p d a t ew a sr e a l i z e d.S t a b i l i t yc a nb em a i n t a i n e db yi n c o r p o r a t i n gv i r t u a l c o u p l i n gd u r i n gr e a l灢t i m es i m u l a t i o n.K e y w o r d s:H a p t i c i n t e r a c t i o ns y s t e m,h a p t i c s i m u l a t i o n,u n d e r l y i n gm e c h a n i s mo f i n s t a b i l i t y,c u r r e n tc l o s e dl o o pc o n t r o l,m u l t i 灢 r a t ec o n t r o l,v i r t u a lw a l l,e q u i v a l e n ti m p e d a n c eb a s e ds t a b i l i t ya l g o r i t h m,v e l o c i t y 灢d r i v e nd i s c r e t e l e v e l灢o f灢d e t a i lh a p t i c r e n d e r i n ga l g o r i t h mP:1 灢 3 44D i g i t a lM a n u f a c t u r eS c i e n c e,2 0 1 1,9(1)A b s t r a c tS c i e n c ed eM a n u f a c t u r a t i o nD i g i t a l e2 0 1 1,9(1)暋 p u b l i 湨 l e3.2 5,2 0 1 1S u p e r v i s e u r 暋M i n i s t 湪 r ed 狆 E d u 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