本文關(guān)鍵詞：手部力反饋裝置及系統(tǒng)研究

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【摘要】：隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和遙操作技術(shù)的發(fā)展,力反饋設(shè)備作為一種新型的人機(jī)接口設(shè)備,給操作者帶來了更加強(qiáng)烈的臨場(chǎng)感效果,也創(chuàng)造了更加自然的人機(jī)交互方式,手部力反饋?zhàn)鳛榱Ψ答伡夹g(shù)的一種,可以應(yīng)用到多個(gè)領(lǐng)域,因此手部力反饋技術(shù)的研究對(duì)多個(gè)行業(yè)的發(fā)展都起到關(guān)鍵的作用。手部力反饋設(shè)備性能和力反饋效果會(huì)直接影響到整個(gè)虛擬系統(tǒng)或者遙操作系統(tǒng)的執(zhí)行性能。目前,國(guó)內(nèi)外力反饋產(chǎn)品還較少,力反饋設(shè)備量程小,體積大,比較復(fù)雜,存在一些問題需要改進(jìn),在力反饋精度、通用性、穩(wěn)定性等方面還有待提高。本文針對(duì)以上的一些問題設(shè)計(jì)了一款小型高精度的三自由度手部力反饋設(shè)備,并對(duì)其配套的軟件和控制進(jìn)行了詳細(xì)的研究。所設(shè)計(jì)的手部力反饋設(shè)備具有位置精度高、工作空間大、各自由度之間無耦合、穩(wěn)定性好、通用性較強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。本文的主要工作和創(chuàng)新點(diǎn)在于：(1)根據(jù)手部力反饋設(shè)備的原理和設(shè)計(jì)原則,采用SolidWorks設(shè)計(jì)三自由度力反饋手柄的結(jié)構(gòu),手柄的整體結(jié)構(gòu)中三個(gè)轉(zhuǎn)軸垂直相交于一點(diǎn),三個(gè)方向的轉(zhuǎn)動(dòng)和反饋力之間沒有耦合,采用傘齒輪傳動(dòng),提高了結(jié)構(gòu)的緊湊性。(2)完成力反饋手柄的系統(tǒng)設(shè)計(jì),采用兩級(jí)處理器的進(jìn)行控制,上下位機(jī)之間通過串口交換數(shù)據(jù)。硬件電路基于STM32F103系列的微處理器完成位置信號(hào)的采集和電機(jī)驅(qū)動(dòng)。PC軟件構(gòu)建了數(shù)據(jù)顯示模塊和三維虛擬場(chǎng)景模塊,采用多線程的方式將力覺刷新獨(dú)立于單獨(dú)的線程中以提高力覺刷新率。(3)分別對(duì)操作者、力反饋手柄和虛擬環(huán)境進(jìn)行建模,基于阻抗再現(xiàn)的形式對(duì)系統(tǒng)總體建模,利用赫爾維茲代數(shù)判據(jù)給出系統(tǒng)穩(wěn)定性條件,討論了虛擬環(huán)境參數(shù)、零階保持器、操作者阻抗對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。提出了一種基于自回歸模型的預(yù)測(cè)方法和三次B樣條插值相結(jié)合的控制算法,能夠提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。(4)基于手部力反饋系統(tǒng)完成人機(jī)工程學(xué)實(shí)驗(yàn),研究了引導(dǎo)力對(duì)操作效率的影響,復(fù)位力、虛擬物體運(yùn)動(dòng)速度、臂長(zhǎng)對(duì)操作范圍的影響,并對(duì)人體操作手柄的范圍、速度、軌跡、手柄頭舒適度等內(nèi)容進(jìn)行詳細(xì)的分析和論證。
【關(guān)鍵詞】：手部力反饋 STM32 多線程 預(yù)測(cè)插值 人機(jī)工程學(xué)
【學(xué)位授予單位】：東南大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TP391.9;TB18
【目錄】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第一章 緒論10-18
• 1.1 手部力反饋技術(shù)概述10-13
• 1.1.1 力反饋的概念10-11
• 1.1.2 力反饋設(shè)備的分類11-12
• 1.1.3 力反饋技術(shù)的應(yīng)用12
• 1.1.4 手部力反饋技術(shù)的研究意義12-13
• 1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀13-16
• 1.2.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀13-15
• 1.2.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀15-16
• 1.3 論文研究?jī)?nèi)容和組織結(jié)構(gòu)16-18
• 第二章 力反饋手柄原理與結(jié)構(gòu)18-28
• 2.1 引言18
• 2.2 力反饋手柄的工作原理18
• 2.3 力反饋手柄的設(shè)計(jì)原則18-19
• 2.4 力反饋執(zhí)行器和位置傳感器19-21
• 2.4.1 力反饋執(zhí)行器的選擇19-20
• 2.4.2 電氣時(shí)間常數(shù)20
• 2.4.3 電機(jī)堵轉(zhuǎn)的安全性20
• 2.4.4 位置傳感器的選擇20-21
• 2.5 力反饋手柄結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)21-25
• 2.5.1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)21-23
• 2.5.2 圓柱體套筒的設(shè)計(jì)23
• 2.5.3 長(zhǎng)方體框的設(shè)計(jì)23-24
• 2.5.4 底座設(shè)計(jì)24
• 2.5.5 X軸及Y軸轉(zhuǎn)軸及軸承的設(shè)計(jì)24
• 2.5.6 齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)24-25
• 2.5.7 手柄的表面處理25
• 2.6 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析25-26
• 2.7 本章小結(jié)26-28
• 第三章 硬件電路設(shè)計(jì)28-38
• 3.1 引言28
• 3.2 力反饋手柄硬件電路總體結(jié)構(gòu)28-29
• 3.3 控制器選型29-30
• 3.4 電源供電模塊30
• 3.5 光電編碼器接口模塊30-32
• 3.5.1 光電編碼器的原理及輸出31-32
• 3.5.2 光電編碼器接口電路設(shè)計(jì)32
• 3.6 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊32-35
• 3.7 通信電路模塊35-36
• 3.8 本章小結(jié)36-38
• 第四章 力反饋手柄系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)38-52
• 4.1 引言38
• 4.2 力反饋手柄下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)38-42
• 4.2.1 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)38-39
• 4.2.2 光電編碼器計(jì)數(shù)模塊39-40
• 4.2.3 驅(qū)動(dòng)電機(jī)模塊40-41
• 4.2.4 串口通信模塊41-42
• 4.3 力反饋手柄上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)42-51
• 4.3.1 上位機(jī)軟件需求分析42-43
• 4.3.2 軟件總體設(shè)計(jì)43-44
• 4.3.3 軟件整體布局44-45
• 4.3.4 串口通信模塊45-47
• 4.3.5 數(shù)據(jù)顯示模塊47-48
• 4.3.6 三維場(chǎng)景模塊48-50
• 4.3.7 碰撞檢測(cè)與力反饋建模50-51
• 4.4 本章小結(jié)51-52
• 第五章 力反饋手柄系統(tǒng)穩(wěn)定性分析52-68
• 5.1 引言52-53
• 5.2 力反饋系統(tǒng)建模53-62
• 5.2.1 操作者建模53-54
• 5.2.2 力反饋手柄建模54-55
• 5.2.3 虛擬環(huán)境建模55-56
• 5.2.4 力反饋系統(tǒng)總體建模56-58
• 5.2.5 穩(wěn)定性分析58-62
• 5.3 基于預(yù)測(cè)插值的力反饋控制方法62-66
• 5.3.1 預(yù)測(cè)算法63
• 5.3.2 插值算法63-64
• 5.3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析64-66
• 5.4 本章小結(jié)66-68
• 第六章 基于力反饋手柄系統(tǒng)的人機(jī)工程學(xué)實(shí)驗(yàn)68-84
• 6.1 引言68
• 6.2 人機(jī)工程學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)68-70
• 6.3 實(shí)驗(yàn)過程70-71
• 6.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析71-82
• 6.4.1 引導(dǎo)力對(duì)操作效率的影響71-72
• 6.4.2 復(fù)位力與人體手部操作范圍的關(guān)系72-74
• 6.4.3 虛擬物體運(yùn)動(dòng)速度與手部操作范圍的關(guān)系74-77
• 6.4.4 臂長(zhǎng)與手部操作范圍的關(guān)系77-78
• 6.4.5 不同方向操作幅度的差異78-79
• 6.4.6 人體操作范圍及操作速度的確定79-80
• 6.4.7 操作手柄軌跡分析80-81
• 6.4.8 手柄頭舒適性分析81-82
• 6.5 本章小結(jié)82-84
• 第七章 總結(jié)與展望84-86
• 7.1 總結(jié)84-85
• 7.2 展望85-86
• 致謝86-88
• 參考文獻(xiàn)88-92
• 碩士期間參與發(fā)表的論文和專利92

【參考文獻(xiàn)】

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