本文關(guān)鍵詞：手部力反饋裝置及系統(tǒng)研究

  更多相關(guān)文章： 手部力反饋 STM32 多線程 預(yù)測插值 人機工程學

【摘要】：隨著虛擬現(xiàn)實技術(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接口設(shè)備,給操作者帶來了更加強烈的臨場感效果,也創(chuàng)造了更加自然的人機交互方式,手部力反饋作為力反饋技術(shù)的一種,可以應(yīng)用到多個領(lǐng)域,因此手部力反饋技術(shù)的研究對多個行業(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直接影響到整個虛擬系統(tǒng)或者遙操作系統(tǒng)的執(zhí)行性能。目前,國內(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,在力反饋精度、通用性、穩(wěn)定性等方面還有待提高。本文針對以上的一些問題設(shè)計了一款小型高精度的三自由度手部力反饋設(shè)備,并對其配套的軟件和控制進行了詳細的研究。所設(shè)計的手部力反饋設(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、通用性較強等優(yōu)點。本文的主要工作和創(chuàng)新點在于：(1)根據(jù)手部力反饋設(shè)備的原理和設(shè)計原則,采用SolidWorks設(shè)計三自由度力反饋手柄的結(jié)構(gòu),手柄的整體結(jié)構(gòu)中三個轉(zhuǎn)軸垂直相交于一點,三個方向的轉(zhuǎn)動和反饋力之間沒有耦合,采用傘齒輪傳動,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,采用兩級處理器的進行控制,上下位機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的采集和電機驅(qū)動。PC軟件構(gòu)建了數(shù)據(jù)顯示模塊和三維虛擬場景模塊,采用多線程的方式將力覺刷新獨立于單獨的線程中以提高力覺刷新率。(3)分別對操作者、力反饋手柄和虛擬環(huán)境進行建模,基于阻抗再現(xiàn)的形式對系統(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)完成人機工程學實驗,研究了引導力對操作效率的影響,復(fù)位力、虛擬物體運動速度、臂長對操作范圍的影響,并對人體操作手柄的范圍、速度、軌跡、手柄頭舒適度等內(nèi)容進行詳細的分析和論證。
【關(guān)鍵詞】：手部力反饋 STM32 多線程 預(yù)測插值 人機工程學
【學位授予單位】：東南大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：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 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀13-16
• 1.2.1 國外研究現(xiàn)狀13-15
• 1.2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀15-16
• 1.3 論文研究內(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 電氣時間常數(shù)20
• 2.4.3 電機堵轉(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21-25
• 2.5.1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計21-23
• 2.5.2 圓柱體套筒的設(shè)計23
• 2.5.3 長方體框的設(shè)計23-24
• 2.5.4 底座設(shè)計24
• 2.5.5 X軸及Y軸轉(zhuǎn)軸及軸承的設(shè)計24
• 2.5.6 齒輪傳動機構(gòu)設(shè)計24-25
• 2.5.7 手柄的表面處理25
• 2.6 機構(gòu)運動學分析25-26
• 2.7 本章小結(jié)26-28
• 第三章 硬件電路設(shè)計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32
• 3.6 電機驅(qū)動模塊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38-52
• 4.1 引言38
• 4.2 力反饋手柄下位機軟件設(shè)計38-42
• 4.2.1 下位機軟件設(shè)計38-39
• 4.2.2 光電編碼器計數(shù)模塊39-40
• 4.2.3 驅(qū)動電機模塊40-41
• 4.2.4 串口通信模塊41-42
• 4.3 力反饋手柄上位機軟件設(shè)計42-51
• 4.3.1 上位機軟件需求分析42-43
• 4.3.2 軟件總體設(shè)計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 三維場景模塊48-50
• 4.3.7 碰撞檢測與力反饋建模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)測插值的力反饋控制方法62-66
• 5.3.1 預(yù)測算法63
• 5.3.2 插值算法63-64
• 5.3.3 實驗結(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)的人機工程學實驗68-84
• 6.1 引言68
• 6.2 人機工程學實驗設(shè)計68-70
• 6.3 實驗過程70-71
• 6.4 實驗結(jié)果分析71-82
• 6.4.1 引導力對操作效率的影響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 虛擬物體運動速度與手部操作范圍的關(guān)系74-77
• 6.4.4 臂長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88-92
• 碩士期間參與發(fā)表的論文和專利92

【參考文獻】

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本文編號：1103177