[论文解读] A New Six Degree-of-Freedom Haptic Device based on the Orthoglide and the Agile Eye

Damien Chablat, Philippe Wenger|ArXiv.org|Jul 24, 2007

Teleoperation and Haptic Systems参考文献 23被引用 3

一句话总结

本文提出了一种新型6自由度触觉设备，集成Orthoglide（用于平动运动）和Agile Eye（用于转动运动）并联机构，实现解耦运动学以支持实时控制。通过优化腿长并利用各向同性构型，该设备具备高刚度、近乎立方体的工作空间，且用户交互直观，极限条件易于理解。

ABSTRACT

The aim of this paper is to present a new six degree-of-freedom (dof) haptic device using two parallel mechanisms. The first one, called orthoglide, provides the translation motions and the second one produces the rotational motions. These two motions are decoupled to simplify the direct and inverse kinematics, as it is needed for real-times control. To reduce the inertial load, the motors are fixed on the base and a transmission with two universal joints is used to transmit the rotational motions from the base to the end-effector. The main feature of the orthoglide and of the agile eye mechanism is the existence of an isotropic configuration. The length of the legs and the range limits of the orthoglide are optimized to have homogeneous performance throughout the Cartesian workspace, which has a nearly cubic workspace. These properties permit to have a high stiffness throughout the workspace and workspace limits that are easily understandable by the user.

研究动机与目标

• 开发一种具备解耦平动与转动自由度的6自由度触觉设备，以提升实时控制性能。
• 通过将电机安装在基座并使用万向节传递扭矩，最小化惯性负载。
• 通过优化Orthoglide机构的腿长和工作范围，实现工作空间内性能的均匀性。
• 利用Orthoglide和Agile Eye的各向同性构型，确保刚度一致且工作空间边界可预测。
• 设计一个近乎立方体且用户易于理解的工作空间，提升在触觉应用中的可用性。

提出的方法

• 设备采用Orthoglide并联 manipulator 提供三个平动自由度，通过优化腿长实现各向同性性能。
• 采用Agile Eye机构实现三个转动自由度，确保转动运动与平动解耦。
• 电机固定在基座，通过两个万向节将旋转运动传递至末端执行器，以减少末端执行器的惯性负载。
• 通过运动学解耦简化正向与反向运动学求解，实现实时控制。
• 利用两种机构的各向同性构型，确保在笛卡尔工作空间内刚度与性能的一致性。
• 工作空间边界设计为直观且易于用户理解，提升系统可用性。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何设计一种6自由度触觉设备，以确保平动与转动运动的解耦，实现实时控制？
• RQ2 哪些设计选择可优化并联运动学机构中工作空间的均匀性与刚度？
• RQ3 在高动态性能的触觉设备中，如何最小化惯性负载？
• RQ4 Orthoglide和Agile Eye机构中各向同性构型在多大程度上可提升性能的一致性？
• RQ5 如何使6自由度触觉系统的工作空间形状与边界直观且用户友好？

主要发现

• 设备实现了近乎立方体的工作空间，显著提升了用户的可用性与可预测性。
• Orthoglide和Agile Eye机构的各向同性构型确保了工作空间内性能均匀且刚度高。
• 解耦运动学显著简化了正向与反向运动学求解，支持实时控制。
• 将电机安装在基座并使用万向节，有效降低了末端执行器的惯性负载，提升了动态响应性能。
• 优化的腿长与工作范围限制，使工作空间具有清晰且易于理解的边界。
• 集成Orthoglide与Agile Eye机构，实现了整个笛卡尔工作空间内高刚度与一致的性能表现。