作為人機(jī)交互的接口,力反饋設(shè)備將虛擬環(huán)境中的力覺信息真實(shí)地反饋給操作者,大大提高了操作的交互性和臨場(chǎng)感。目前,國(guó)內(nèi)對(duì)力反饋設(shè)備的研究與國(guó)外相比還有較大差距,不僅體現(xiàn)在力反饋設(shè)備自身的性能,更體現(xiàn)在交互應(yīng)用程序開發(fā)功能上。針對(duì)上述問題,本文以實(shí)驗(yàn)室自主研發(fā)的六自由度串聯(lián)式力反饋設(shè)備為研究對(duì)象,分別從設(shè)備和應(yīng)用開發(fā)層面,對(duì)力反饋設(shè)備進(jìn)行研究,主要內(nèi)容如下:（1）在設(shè)備層面上,對(duì)設(shè)備末端機(jī)構(gòu)和重力補(bǔ)償進(jìn)行功能優(yōu)化。研制了通用型多用途末端,使用藍(lán)牙陀螺儀采集姿態(tài),解決了原末端通用性差、笨重且操作不靈活的問題。基于新末端,利用靜力平衡方法重新進(jìn)行被動(dòng)重力補(bǔ)償研究,并通過動(dòng)力學(xué)仿真優(yōu)化平衡方程。對(duì)重力補(bǔ)償效果進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)量,殘余重力相較于原補(bǔ)償方案降低了59%。（2）研究了對(duì)力反饋設(shè)備交互性能進(jìn)行評(píng)估的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證方法。根據(jù)交互性能指標(biāo)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)評(píng)估方法,并通過心理物理學(xué)方法進(jìn)行交互性能量化研究,最后對(duì)三臺(tái)不同類型的力反饋設(shè)備交互性能進(jìn)行評(píng)估,驗(yàn)證了評(píng)估方法的有效性。（3）在應(yīng)用開發(fā)層面上,重點(diǎn)解決了操作虛擬物體時(shí)的交互穿透效應(yīng)和設(shè)備-上位機(jī)通信的通用性問題。提出了基于Phys X物理引擎的速度控制多點(diǎn)... 

【文章來源】：華南理工大學(xué)廣東省211工程院校985工程院校教育部直屬院校

【文章頁(yè)數(shù)】：110 頁(yè)

【學(xué)位級(jí)別】：碩士

【部分圖文】：

自由度串聯(lián)式力反饋設(shè)備[18]

華南理工大學(xué)工程碩士學(xué)位論文4手術(shù)。法國(guó)Haption公司研制了Virtuose6D力反饋設(shè)備[19]，如圖1-3所示。具有6自由度的位置檢測(cè)和6自由度力反饋功能，工作空間為立方體。其最大輸出力達(dá)到35N，最大剛度達(dá)到8N/mm，并通過直流電機(jī)主動(dòng)激勵(lì)實(shí)現(xiàn)重力補(bǔ)償。但其靈活性較差，一般用于虛擬裝配、遙操作等領(lǐng)域。圖1-25自由度串聯(lián)式力反饋設(shè)備[18]圖1-3Virtuose6D串聯(lián)式力反饋設(shè)備[19]北京航天航空大學(xué)是國(guó)內(nèi)較早進(jìn)行力反饋設(shè)備研制的高校，該校在上個(gè)世紀(jì)90年代研制了3自由度力反饋設(shè)備，如圖1-4所示。該力反饋設(shè)備結(jié)構(gòu)采用對(duì)稱布置的方式，并通過控制電機(jī)進(jìn)行主動(dòng)重力補(bǔ)償，解決了設(shè)備的重力補(bǔ)償問題[20]。天津大學(xué)研制了5自由度力反饋設(shè)備，如圖1-5所示。該設(shè)備用于顯微外科手術(shù)完成手術(shù)縫合等操作[21]。圖1-4北京航天航空大學(xué)力反饋設(shè)備[20]圖1-5天津大學(xué)串聯(lián)式力反饋設(shè)備[21]東南大學(xué)也研制了7自由度力通用型反饋設(shè)備[22]，如圖1-6所示。該設(shè)備的7自由度為6自由度運(yùn)動(dòng)輸入和1自由度的夾持信號(hào)輸入，并能實(shí)現(xiàn)6自由度力輸出，它由平行連桿機(jī)構(gòu)和手部旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)組成，從結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)了空間運(yùn)動(dòng)與手腕姿態(tài)的解耦，在末端增加了指部力反饋機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了手指上的力反潰華南理工大學(xué)研制了串聯(lián)式6自由度力反饋設(shè)備[11]，如圖1-7所示。該設(shè)備為華南理工大學(xué)研制的第二代力反饋設(shè)備，使用配重塊進(jìn)行被動(dòng)重力補(bǔ)償。其末端結(jié)構(gòu)采用3個(gè)互相嵌套的圓環(huán)結(jié)構(gòu)，通過編碼器采集三軸旋轉(zhuǎn)角度，進(jìn)而獲取操作者手腕姿態(tài)。設(shè)備工作空間為740mm×476mm×500mm，最大連續(xù)輸出力為3.01N。設(shè)備與數(shù)據(jù)手套相結(jié)合，完成了虛擬裝配應(yīng)用的開發(fā)。

華南理工大學(xué)工程碩士學(xué)位論文4手術(shù)。法國(guó)Haption公司研制了Virtuose6D力反饋設(shè)備[19]，如圖1-3所示。具有6自由度的位置檢測(cè)和6自由度力反饋功能，工作空間為立方體。其最大輸出力達(dá)到35N，最大剛度達(dá)到8N/mm，并通過直流電機(jī)主動(dòng)激勵(lì)實(shí)現(xiàn)重力補(bǔ)償。但其靈活性較差，一般用于虛擬裝配、遙操作等領(lǐng)域。圖1-25自由度串聯(lián)式力反饋設(shè)備[18]圖1-3Virtuose6D串聯(lián)式力反饋設(shè)備[19]北京航天航空大學(xué)是國(guó)內(nèi)較早進(jìn)行力反饋設(shè)備研制的高校，該校在上個(gè)世紀(jì)90年代研制了3自由度力反饋設(shè)備，如圖1-4所示。該力反饋設(shè)備結(jié)構(gòu)采用對(duì)稱布置的方式，并通過控制電機(jī)進(jìn)行主動(dòng)重力補(bǔ)償，解決了設(shè)備的重力補(bǔ)償問題[20]。天津大學(xué)研制了5自由度力反饋設(shè)備，如圖1-5所示。該設(shè)備用于顯微外科手術(shù)完成手術(shù)縫合等操作[21]。圖1-4北京航天航空大學(xué)力反饋設(shè)備[20]圖1-5天津大學(xué)串聯(lián)式力反饋設(shè)備[21]東南大學(xué)也研制了7自由度力通用型反饋設(shè)備[22]，如圖1-6所示。該設(shè)備的7自由度為6自由度運(yùn)動(dòng)輸入和1自由度的夾持信號(hào)輸入，并能實(shí)現(xiàn)6自由度力輸出，它由平行連桿機(jī)構(gòu)和手部旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)組成，從結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)了空間運(yùn)動(dòng)與手腕姿態(tài)的解耦，在末端增加了指部力反饋機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了手指上的力反潰華南理工大學(xué)研制了串聯(lián)式6自由度力反饋設(shè)備[11]，如圖1-7所示。該設(shè)備為華南理工大學(xué)研制的第二代力反饋設(shè)備，使用配重塊進(jìn)行被動(dòng)重力補(bǔ)償。其末端結(jié)構(gòu)采用3個(gè)互相嵌套的圓環(huán)結(jié)構(gòu)，通過編碼器采集三軸旋轉(zhuǎn)角度，進(jìn)而獲取操作者手腕姿態(tài)。設(shè)備工作空間為740mm×476mm×500mm，最大連續(xù)輸出力為3.01N。設(shè)備與數(shù)據(jù)手套相結(jié)合，完成了虛擬裝配應(yīng)用的開發(fā)。

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]面向虛擬維修的多點(diǎn)碰撞虛擬手研究[J]. 姚壽文,胡子然,王瑀,張家豪,劉智濛,丁佳,常富祥.  重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)). 2019(06)
[2]基于力觸覺手柄的虛擬環(huán)境力反饋交互系統(tǒng)穩(wěn)定性分析[J]. 李會(huì)軍,謝桂平,宋愛國(guó),李博維.  儀器儀表學(xué)報(bào). 2019(06)
[3]Development and Evaluation of a 7-DOF Haptic Interface[J]. Jian-Long Hao,Xiao-Liang Xie,Gui-Bin Bian,Zeng-Guang Hou,Xiao-Hu Zhou.  IEEE/CAA Journal of Automatica Sinica. 2018(01)
[4]數(shù)量表征和韋伯—費(fèi)希納定律:應(yīng)用及發(fā)展[J]. 孫霽,Alain Content,孫沛.  心理研究. 2017(05)
[5]多模態(tài)力觸覺交互技術(shù)及應(yīng)用[J]. 宋愛國(guó),田磊,倪得晶,秦歡歡.  中國(guó)科學(xué):信息科學(xué). 2017(09)
[6]力反饋主操作手附加力的補(bǔ)償策略研究[J]. 贠今天,劉陽(yáng)陽(yáng),楊全利,桑宏強(qiáng).  中國(guó)機(jī)械工程. 2017(10)
[7]虛擬現(xiàn)實(shí)的人機(jī)交互綜述[J]. 張鳳軍,戴國(guó)忠,彭曉蘭.  中國(guó)科學(xué):信息科學(xué). 2016(12)
[8]計(jì)算機(jī)觸覺:虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境的力觸覺建模和生成[J]. 王黨校,焦健,張玉茹,趙曉含.  計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與圖形學(xué)學(xué)報(bào). 2016(06)
[9]虛擬軟組織針刺與力覺交互[J]. 高瞻,潘飛,王杰華,潘海燕,蔣崢崢.  系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào). 2015(10)
[10]三自由度平動(dòng)手控器重力補(bǔ)償研究[J]. 劉世平,余昆,李世其,王博,宋樊.  機(jī)械制造與自動(dòng)化. 2015(02)

博士論文
[1]虛擬手術(shù)仿真系統(tǒng)中軟組織切割模型研究[D]. 程強(qiáng)強(qiáng).南昌大學(xué) 2018
[2]虛擬手術(shù)力反饋真實(shí)感提升方法研究[D]. 胡陟.上海交通大學(xué) 2016
[3]基于力覺/觸覺反饋的虛擬裝配系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)研究[D]. 陳成軍.山東大學(xué) 2008

碩士論文
[1]基于虛擬現(xiàn)實(shí)的工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)仿真與控制研究[D]. 賁飛.哈爾濱理工大學(xué) 2019
[2]虛擬手術(shù)中的接觸力計(jì)算及力反饋裝置設(shè)計(jì)[D]. 歐惠棠.廣東工業(yè)大學(xué) 2018
[3]基于Unity3D的虛擬裝配技術(shù)研究與實(shí)現(xiàn)[D]. 謝振清.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 2018
[4]三自由度人機(jī)交互力反饋裝置及應(yīng)用[D]. 林珍.東南大學(xué) 2018
[5]集成力反饋的機(jī)器人砂帶拋光虛擬示教關(guān)鍵技術(shù)研究[D]. 謝海龍.華南理工大學(xué) 2018
[6]六自由度串聯(lián)式力反饋機(jī)械臂研發(fā)與應(yīng)用研究[D]. 劉家武.華南理工大學(xué) 2018
[7]通用力反饋設(shè)備的自適應(yīng)阻抗控制仿真研究[D]. 溫彬彬.北京交通大學(xué) 2017
[8]機(jī)械臂軌跡規(guī)劃及動(dòng)力學(xué)研究[D]. 王文壇.山東大學(xué) 2017
[9]虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中人機(jī)交互技術(shù)研究[D]. 李辰龍.浙江大學(xué) 2017
[10]模擬訓(xùn)練系統(tǒng)聲音信號(hào)處理與交互技術(shù)研究[D]. 楊竹.沈陽(yáng)理工大學(xué) 2017



本文編號(hào)：3619166