虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是21世紀(jì)最突出的成就之一,其涉及領(lǐng)域多,應(yīng)用范圍廣。溫度觸覺感知再現(xiàn)作為虛擬現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域的一個重要分支,受到越來越多的研究者的重視。在溫度觸覺再現(xiàn)領(lǐng)域,帕爾貼芯片因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)精巧,安全環(huán)保不產(chǎn)生噪聲和氟利昂,因此最為常用。由于帕爾貼設(shè)備模型存在諸多非線性因素,加上溫度這一物理量本身較為敏感,研究具有好的動態(tài)特性的帕爾貼溫度控制算法具有重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值�；Ｗ兘Y(jié)構(gòu)控制具有良好的動態(tài)響應(yīng)和很強(qiáng)的魯棒性。本文首先以單層帕爾貼溫度觸覺再現(xiàn)設(shè)備表面溫度為研究對象,對其進(jìn)行精確建模,并設(shè)計(jì)滑�？刂撇呗浴Ｒ环矫�,設(shè)計(jì)了有限時(shí)間擾動觀測器以估計(jì)外界不確定擾動,采用有限時(shí)間前饋補(bǔ)償和滑模反饋控制的相結(jié)合的方式,消除了擾動對系統(tǒng)的影響,解決了單層帕爾貼表面溫度跟蹤問題;另一方面,針對控制量不連續(xù)的問題并提升滑模面的動態(tài)性能,基于擾動觀測器采用連續(xù)滑模和積分滑模相結(jié)合的方法,設(shè)計(jì)了連續(xù)線性積分滑模和連續(xù)終端積分滑模。通過仿真和實(shí)驗(yàn)得出連續(xù)積分滑模控制策略擁有了連續(xù)的輸入信號并成功降低系統(tǒng)的抖振,并且相比于線性滑模面,系統(tǒng)在終端滑模面上具有更快的收斂速度。由于實(shí)際需求的提升,單層帕爾貼不能... 

【文章來源】：東南大學(xué)江蘇省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校

【文章頁數(shù)】：73 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

手指接觸物體溫度觸覺示意圖

第二章溫度觸覺與帕爾貼溫度觸覺感知再現(xiàn)裝置13圖2.2接觸后手指和物體表面溫度變化曲線圖圖2.2表示的是手指和物體表面溫度隨著時(shí)間變化的曲線圖。當(dāng)手指接觸物體后，手指表面的溫度迅速下降，隨后速度逐漸變慢，最終穩(wěn)定在一定的溫度；物體表面的溫度迅速上升，隨后速度逐漸變慢，最終穩(wěn)定在另一溫度。階段一稱為初期感知階段(earlytimessensation,ETS)[62]，ETS發(fā)生在接觸的瞬間，這時(shí)候手指和物體表面溫度發(fā)生突變，階段二稱為后期感知階段(latertimessensation,LTS)，在LTS手指和物體表面溫度變化緩慢并趨向于穩(wěn)定。在ETS階段包含著快速降溫的過程，溫度的驟降給人帶來的感覺極其強(qiáng)烈，而不同的物質(zhì)帶來不同程度的溫降，因此ETS對于人們識別不同的物質(zhì)有著很重要的作用。由圖2.2還可以發(fā)現(xiàn)，手指和物體表面的穩(wěn)定溫度和理想的接觸面的溫度存在一定的出入，那是因?yàn)榻佑|熱阻的存在，當(dāng)忽略了接觸熱阻，皮膚和物體表面溫度將穩(wěn)定在conT。2.1.3溫度觸覺感知的影響因素通過上一小節(jié)可以發(fā)現(xiàn)，溫度觸覺感知強(qiáng)度和接觸物體的材質(zhì)有關(guān)，不同材質(zhì)的物體會帶來不同溫度觸覺感知的影響，其實(shí)影響溫度觸覺感知的因素還有很多。生活常識告訴我們，溫度觸覺可能與接觸面積、接觸面的粗糙度、接觸力的大孝皮膚和物體的初始溫度有關(guān)，這些常識在文獻(xiàn)[59]得到了理論的驗(yàn)證。文獻(xiàn)[59]通過對溫度觸覺感知系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行分析求解，得出了熱傳導(dǎo)過程中皮膚和物體的溫度公式，忽略了溫度分布表達(dá)函數(shù)的高次諧波，皮膚的溫度分布式可以表示為：000(,)22MSSSMMSSSLxLxTxtTTTerfcerfctt(2.2)其中L代表皮膚的厚度，x是其中真皮的厚度，s表示熱擴(kuò)散系數(shù)[63]；erfc表示互補(bǔ)誤差函數(shù)，22()1()xerfcxerfxed，erfc表示誤差函

東南大學(xué)碩士學(xué)位論文14由式(2.2)可以看出，影響溫度觸覺的因素有皮膚和物體表面初始溫度00,SMTT；皮膚和物體的吸熱系數(shù),SM；皮膚的熱擴(kuò)散系數(shù)S；皮膚的厚度L；真皮的厚度x。文獻(xiàn)[59]還以表皮厚度為例，選取了0.1mm、0.2mm、0.3mm、0.4mm、0.5mm五種不同的表皮厚度，表皮和物體的初始溫度分別為36℃和20℃。圖2.3是接觸后不同表皮厚度下的皮膚溫度隨時(shí)間的響應(yīng)曲線：圖2.3不同表皮厚度下的皮膚溫度響應(yīng)圖由圖2.3可以發(fā)現(xiàn)，表皮厚度越厚，與相對低溫的物體接觸后，溫度下降速率越慢，溫度的穩(wěn)定值越高；相反的，表皮厚度越薄，溫度下降速率越快，穩(wěn)定后溫度越低。這表明溫度觸覺感知的敏感度隨著皮膚厚度的增加而減校2.2帕爾貼溫度觸覺感知再現(xiàn)裝置溫度觸覺感知受諸多因素影響，它是敏感的并且因人而異。如何進(jìn)行溫度觸覺感知再現(xiàn)一直以來都是一個炙手可熱的話題，溫度觸覺感知再現(xiàn)就是將不同溫度的物體以觸覺的方式提供給人們進(jìn)行感知。帕爾貼半導(dǎo)體制冷器是溫度觸覺感知再現(xiàn)的主要設(shè)備，它以熱電效應(yīng)為基本原理，以它為研究對象設(shè)計(jì)硬件系統(tǒng)，在通入驅(qū)動電流以后能夠到達(dá)想要再現(xiàn)的指定溫度。帕爾貼溫度觸覺感知再現(xiàn)裝置需要具備非常高的穩(wěn)定性，它不受外界環(huán)境的影響，也不與感知的人群有關(guān)。在本節(jié)一方面介紹該裝置的五種熱電原理，另一方面全方位介紹該裝置的硬件系統(tǒng)。2.2.1帕爾貼溫度觸覺感知再現(xiàn)裝置原理帕爾貼溫度觸覺再現(xiàn)裝置的原理是熱電效應(yīng)，熱電效應(yīng)伴隨著熱能和電能之間的相互轉(zhuǎn)換，由塞貝克和帕爾貼在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過湯姆遜、楞次等人的不斷完善而最終成立。熱電效應(yīng)包含塞貝克效應(yīng)、帕爾帖效應(yīng)、湯姆遜效應(yīng)、焦耳效應(yīng)和傅里葉效應(yīng)，前三種效應(yīng)是可逆的，而后兩種效應(yīng)是不可逆的[64]。

【參考文獻(xiàn)】：
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碩士論文
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本文編號：3229977