基于虛擬環(huán)境的觸覺反饋技術(shù)是一項(xiàng)允許操作者通過觸覺設(shè)備控制計(jì)算機(jī),模擬虛擬環(huán)境中物體運(yùn)動(dòng),并感知其發(fā)生碰撞時(shí)產(chǎn)生反饋力的技術(shù)。在過去的幾十年里,觸覺反饋技術(shù)的快速發(fā)展使得它被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。特別是在中風(fēng)康復(fù)領(lǐng)域中,觸覺反饋輔助中風(fēng)患者上肢康復(fù)的效果相較于傳統(tǒng)物理療法更為顯著。但目前國內(nèi)對(duì)觸覺反饋系統(tǒng)的基礎(chǔ)原理研究尚不成熟,本文在此背景下擬開發(fā)一個(gè)用于虛擬觸覺設(shè)備快速成型的環(huán)境系統(tǒng)。這里所謂的環(huán)境系統(tǒng),是指在系統(tǒng)中配置一個(gè)特定的用戶可定制的機(jī)器人,該機(jī)器人在運(yùn)行過程中能為用戶提供觸覺信息反饋。本文的核心目標(biāo)是開發(fā)一種三自由度機(jī)器人及其配套的環(huán)境系統(tǒng)。圍繞該目標(biāo)我們做了以下四個(gè)部分工作:（1）設(shè)計(jì)一種能反饋三自由度觸覺力的桌面式串聯(lián)機(jī)器人。該機(jī)器人需具備低質(zhì)量,高剛度的特點(diǎn),并且要求在運(yùn)行過程中關(guān)節(jié)間的摩擦力盡可能的小;（2）搭建上下位機(jī)通信系統(tǒng)。該通信系統(tǒng)的主要功能是檢測位移信息和控制電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn),并通過串口通信與上位機(jī)的虛擬環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)雙向通信;（3）在上位機(jī)中搭建虛擬環(huán)境。該虛擬環(huán)境接收下位機(jī)的位移信息并將其轉(zhuǎn)換為力矩信息反饋給觸覺設(shè)備,它是控制整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的核心模塊;（4）設(shè)計(jì)實(shí)... 

【文章來源】：華東理工大學(xué)上海市 211工程院校 教育部直屬院校

【文章頁數(shù)】：85 頁

【學(xué)位級(jí)別】：碩士

【部分圖文】：

圖２．１全息交互虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)??Ｆｉｇ．?２．１?Ｈｏｌｏｇｒａｐｈｉｃ?ｉｎｔｅｒａｃｔｉｖｅ?ｖｉｒｔｕａｌ?ｒｅａｌｉｔｙ?ｓｙｓｔｅｍ??

華東理工大學(xué)碩士學(xué)位論文?第５頁??■Ｉ：??論??圖２．１全息交互虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)??Ｆｉｇ．?２．１?Ｈｏｌｏｇｒａｐｈｉｃ?ｉｎｔｅｒａｃｔｉｖｅ?ｖｉｒｔｕａｌ?ｒｅａｌｉｔｙ?ｓｙｓｔｅｍ??觸覺技術(shù)是一項(xiàng)能使用戶在與計(jì)算機(jī)構(gòu)建的ＶＥ進(jìn)行交互時(shí)，通過虛擬對(duì)象施加在觸覺??設(shè)備上的力、振動(dòng)等信息來感知物體的形狀、大孝質(zhì)量等物理特征的高新技術(shù)［２３］。這項(xiàng)技??術(shù)最初是應(yīng)用在大型飛機(jī)上伺服機(jī)構(gòu)系統(tǒng)的操縱控制面板中，用來模擬駕駛過程中對(duì)周圍環(huán)??境的觸覺感知。在用戶“觸摸”虛擬對(duì)象時(shí)，人體的皮膚能感受到力的相互作用，這些力信??息會(huì)向大腦傳達(dá)外界對(duì)象的物理屬性，從而刺激大腦對(duì)肌肉運(yùn)動(dòng)的控制。這也是觸覺技術(shù)能??夠?qū)崿F(xiàn)的最根本的原理。在觸覺反饋系統(tǒng)中，由人類觸覺、機(jī)械觸覺和計(jì)算機(jī)觸覺三個(gè)部分??共同構(gòu)成。圖２．２為一般情況下的觸覺反饋閉環(huán)系統(tǒng)。其中，左圖部分表示人體觸覺中人手??感知觸覺設(shè)備上的力，再將信息傳遞給大腦來控制手的過程。右圖部分表示手控制觸覺設(shè)備??執(zhí)行運(yùn)動(dòng)，由傳感器將位移信息傳遞到計(jì)算機(jī)模擬的ＶＥ中，經(jīng)由仿真模擬后傳遞力信息給??觸覺設(shè)備。系統(tǒng)中人體部分的傳感器、處理器和驅(qū)動(dòng)器分別是皮膚、大腦和手；而相應(yīng)機(jī)器??觸覺部分則是編碼器、計(jì)算機(jī)和電機(jī)［２４］。??肌肉組織?傳感器??大腦．湖覺?ＩＩ機(jī)器難?計(jì)算機(jī)難??傳感器?執(zhí)行器??圖２．２觸覺反饋閉環(huán)系統(tǒng)架構(gòu)圖［２５！??Ｆｉｇ．?２．２?Ｈａｐｔｉｃ?ｆｅｅｄｂａｃｋ?ｃｌｏｓｅｄ－ｌｏｏｐ?ｓｙｓｔｅｍ?ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ?ｄｉａｇｒａｍ［２５］??２．３觸覺技術(shù)實(shí)現(xiàn)原理??觸覺技術(shù)最初的基本思想是將用戶與觸覺設(shè)備交互時(shí)產(chǎn)生的觸覺信

８］，這也是本論文的研宄對(duì)象。由此可見，觸??覺系統(tǒng)的本質(zhì)是通過網(wǎng)絡(luò)空間的方式向遠(yuǎn)程用戶提供觸覺反潰??本文工作是對(duì)觸覺交互系統(tǒng)的構(gòu)建，而其中最為關(guān)鍵的部分就是觸覺渲染（Ｈａｐｔｉｃ??Ｒｅｎｄｅｒｉｎｇ）。所謂的觸覺渲染就是將觸覺設(shè)備執(zhí)行器末端的位移信息轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)反饋力信息的??過程，其目的是利用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和ＶＲ技術(shù)模擬出現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的人類與物體發(fā)生主動(dòng)接觸??時(shí)的力作用ｔ２９］。在虛擬觸覺系統(tǒng)中，常見的在用戶和ＶＥ間傳遞力信息的媒介是機(jī)械鏈結(jié)構(gòu)，??這樣的設(shè)備也被簡稱為觸覺設(shè)備。圖２．３ａ所示為虛擬觸覺系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用場景。當(dāng)圖中用戶??用手操作觸覺設(shè)備移動(dòng)時(shí)，傳感器會(huì)將用戶的動(dòng)作信息上傳至計(jì)算機(jī)構(gòu)建的ＶＥ中并映射到??顯示器上，同時(shí)ＶＥ也控制著電機(jī)利用觸覺設(shè)備的連桿結(jié)構(gòu)將力信息反饋到用戶手上，這個(gè)??過程體現(xiàn)了虛擬觸覺的反饋機(jī)理，也從側(cè)面反映了虛擬觸覺交互系統(tǒng)是一個(gè)雙向的、實(shí)時(shí)通??信系統(tǒng)。圖２．３ｂ是一般性虛擬觸覺交互系統(tǒng)的流程圖。由圖中可以看出，用戶在通過圖形顯??示界面看到ＶＥ中物體和場景的同時(shí)，還能利用觸覺設(shè)備與ＶＥ進(jìn)行觸覺交互并感受觸覺渲??染后的反饋力。其中ＶＥ是整個(gè)系統(tǒng)的核心所在。它處理觸覺設(shè)備的輸入信號(hào)，構(gòu)建三維虛??擬對(duì)象，并將觸覺渲染后的圖形及觸覺信息分別傳輸給顯示器和觸覺設(shè)備。???賄私?？?１??ｒ—Ｌｎ?，??１＾１???揉作者?觸覺設(shè)備?計(jì)笄機(jī)?虛擬環(huán)境??ｍ?１ｍ??ｒＫ—?ｒ￣Ｓ—?ｉ￣１７ｉ???（ａ）?（ｂ）??圖２．３虛擬觸覺反饋系統(tǒng)：（ａ）虛擬觸覺反饋應(yīng)用場景；（ｂ）虛擬觸覺反饋流程??Ｆｉｇ．?２．３?Ｖｉｒｔｕａｌ?ｈａ

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
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碩士論文
[1]基于單點(diǎn)式力反饋設(shè)備的虛擬裝配研究[D]. 盧麗婷.華南理工大學(xué) 2014
[2]虛擬手術(shù)系統(tǒng)中力反饋技術(shù)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D]. 于德海.山東大學(xué) 2013
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[4]基于層次包圍盒的Bézier曲面求交算法研究及實(shí)現(xiàn)[D]. 姚薇薇.大連理工大學(xué) 2008



本文編號(hào)：3548515