六自由度串聯式力反饋設備功能改進及交互性能研究
發(fā)布時間：2022-02-10 16:33
作為人機交互的接口,力反饋設備將虛擬環(huán)境中的力覺信息真實地反饋給操作者,大大提高了操作的交互性和臨場感。目前,國內對力反饋設備的研究與國外相比還有較大差距,不僅體現在力反饋設備自身的性能,更體現在交互應用程序開發(fā)功能上。針對上述問題,本文以實驗室自主研發(fā)的六自由度串聯式力反饋設備為研究對象,分別從設備和應用開發(fā)層面,對力反饋設備進行研究,主要內容如下:（1）在設備層面上,對設備末端機構和重力補償進行功能優(yōu)化。研制了通用型多用途末端,使用藍牙陀螺儀采集姿態(tài),解決了原末端通用性差、笨重且操作不靈活的問題�；谛履┒�,利用靜力平衡方法重新進行被動重力補償研究,并通過動力學仿真優(yōu)化平衡方程。對重力補償效果進行了實驗測量,殘余重力相較于原補償方案降低了59%。（2）研究了對力反饋設備交互性能進行評估的實驗驗證方法。根據交互性能指標設計實驗評估方法,并通過心理物理學方法進行交互性能量化研究,最后對三臺不同類型的力反饋設備交互性能進行評估,驗證了評估方法的有效性。（3）在應用開發(fā)層面上,重點解決了操作虛擬物體時的交互穿透效應和設備-上位機通信的通用性問題。提出了基于Phys X物理引擎的速度控制多點...
【文章來源】：華南理工大學廣東省211工程院校985工程院校教育部直屬院校
【文章頁數】：110 頁
【學位級別】：碩士
【部分圖文】：
自由度串聯式力反饋設備[18]
華南理工大學工程碩士學位論文4手術。法國Haption公司研制了Virtuose6D力反饋設備[19]，如圖1-3所示。具有6自由度的位置檢測和6自由度力反饋功能，工作空間為立方體。其最大輸出力達到35N，最大剛度達到8N/mm，并通過直流電機主動激勵實現重力補償。但其靈活性較差，一般用于虛擬裝配、遙操作等領域。圖1-25自由度串聯式力反饋設備[18]圖1-3Virtuose6D串聯式力反饋設備[19]北京航天航空大學是國內較早進行力反饋設備研制的高校，該校在上個世紀90年代研制了3自由度力反饋設備，如圖1-4所示。該力反饋設備結構采用對稱布置的方式，并通過控制電機進行主動重力補償，解決了設備的重力補償問題[20]。天津大學研制了5自由度力反饋設備，如圖1-5所示。該設備用于顯微外科手術完成手術縫合等操作[21]。圖1-4北京航天航空大學力反饋設備[20]圖1-5天津大學串聯式力反饋設備[21]東南大學也研制了7自由度力通用型反饋設備[22]，如圖1-6所示。該設備的7自由度為6自由度運動輸入和1自由度的夾持信號輸入，并能實現6自由度力輸出，它由平行連桿機構和手部旋轉機構組成，從結構上實現了空間運動與手腕姿態(tài)的解耦，在末端增加了指部力反饋機構，實現了手指上的力反潰華南理工大學研制了串聯式6自由度力反饋設備[11]，如圖1-7所示。該設備為華南理工大學研制的第二代力反饋設備，使用配重塊進行被動重力補償。其末端結構采用3個互相嵌套的圓環(huán)結構，通過編碼器采集三軸旋轉角度，進而獲取操作者手腕姿態(tài)。設備工作空間為740mm×476mm×500mm，最大連續(xù)輸出力為3.01N。設備與數據手套相結合，完成了虛擬裝配應用的開發(fā)。
華南理工大學工程碩士學位論文4手術。法國Haption公司研制了Virtuose6D力反饋設備[19]，如圖1-3所示。具有6自由度的位置檢測和6自由度力反饋功能，工作空間為立方體。其最大輸出力達到35N，最大剛度達到8N/mm，并通過直流電機主動激勵實現重力補償。但其靈活性較差，一般用于虛擬裝配、遙操作等領域。圖1-25自由度串聯式力反饋設備[18]圖1-3Virtuose6D串聯式力反饋設備[19]北京航天航空大學是國內較早進行力反饋設備研制的高校，該校在上個世紀90年代研制了3自由度力反饋設備，如圖1-4所示。該力反饋設備結構采用對稱布置的方式，并通過控制電機進行主動重力補償，解決了設備的重力補償問題[20]。天津大學研制了5自由度力反饋設備，如圖1-5所示。該設備用于顯微外科手術完成手術縫合等操作[21]。圖1-4北京航天航空大學力反饋設備[20]圖1-5天津大學串聯式力反饋設備[21]東南大學也研制了7自由度力通用型反饋設備[22]，如圖1-6所示。該設備的7自由度為6自由度運動輸入和1自由度的夾持信號輸入，并能實現6自由度力輸出，它由平行連桿機構和手部旋轉機構組成，從結構上實現了空間運動與手腕姿態(tài)的解耦，在末端增加了指部力反饋機構，實現了手指上的力反潰華南理工大學研制了串聯式6自由度力反饋設備[11]，如圖1-7所示。該設備為華南理工大學研制的第二代力反饋設備，使用配重塊進行被動重力補償。其末端結構采用3個互相嵌套的圓環(huán)結構，通過編碼器采集三軸旋轉角度，進而獲取操作者手腕姿態(tài)。設備工作空間為740mm×476mm×500mm，最大連續(xù)輸出力為3.01N。設備與數據手套相結合，完成了虛擬裝配應用的開發(fā)。
【參考文獻】：
期刊論文
[1]面向虛擬維修的多點碰撞虛擬手研究[J]. 姚壽文,胡子然,王瑀,張家豪,劉智濛,丁佳,常富祥. 重慶理工大學學報(自然科學). 2019(06)
[2]基于力觸覺手柄的虛擬環(huán)境力反饋交互系統穩(wěn)定性分析[J]. 李會軍,謝桂平,宋愛國,李博維. 儀器儀表學報. 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]數量表征和韋伯—費希納定律:應用及發(fā)展[J]. 孫霽,Alain Content,孫沛. 心理研究. 2017(05)
[5]多模態(tài)力觸覺交互技術及應用[J]. 宋愛國,田磊,倪得晶,秦歡歡. 中國科學:信息科學. 2017(09)
[6]力反饋主操作手附加力的補償策略研究[J]. 贠今天,劉陽陽,楊全利,桑宏強. 中國機械工程. 2017(10)
[7]虛擬現實的人機交互綜述[J]. 張鳳軍,戴國忠,彭曉蘭. 中國科學:信息科學. 2016(12)
[8]計算機觸覺:虛擬現實環(huán)境的力觸覺建模和生成[J]. 王黨校,焦健,張玉茹,趙曉含. 計算機輔助設計與圖形學學報. 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. 系統仿真學報. 2015(10)
[10]三自由度平動手控器重力補償研究[J]. 劉世平,余昆,李世其,王博,宋樊. 機械制造與自動化. 2015(02)
博士論文
[1]虛擬手術仿真系統中軟組織切割模型研究[D]. 程強強.南昌大學 2018
[2]虛擬手術力反饋真實感提升方法研究[D]. 胡陟.上海交通大學 2016
[3]基于力覺/觸覺反饋的虛擬裝配系統相關技術研究[D]. 陳成軍.山東大學 2008
碩士論文
[1]基于虛擬現實的工業(yè)機器人運動仿真與控制研究[D]. 賁飛.哈爾濱理工大學 2019
[2]虛擬手術中的接觸力計算及力反饋裝置設計[D]. 歐惠棠.廣東工業(yè)大學 2018
[3]基于Unity3D的虛擬裝配技術研究與實現[D]. 謝振清.哈爾濱工業(yè)大學 2018
[4]三自由度人機交互力反饋裝置及應用[D]. 林珍.東南大學 2018
[5]集成力反饋的機器人砂帶拋光虛擬示教關鍵技術研究[D]. 謝海龍.華南理工大學 2018
[6]六自由度串聯式力反饋機械臂研發(fā)與應用研究[D]. 劉家武.華南理工大學 2018
[7]通用力反饋設備的自適應阻抗控制仿真研究[D]. 溫彬彬.北京交通大學 2017
[8]機械臂軌跡規(guī)劃及動力學研究[D]. 王文壇.山東大學 2017
[9]虛擬現實系統中人機交互技術研究[D]. 李辰龍.浙江大學 2017
[10]模擬訓練系統聲音信號處理與交互技術研究[D]. 楊竹.沈陽理工大學 2017
本文編號：3619166
【文章來源】：華南理工大學廣東省211工程院校985工程院校教育部直屬院校
【文章頁數】：110 頁
【學位級別】：碩士
【部分圖文】：
自由度串聯式力反饋設備[18]
華南理工大學工程碩士學位論文4手術。法國Haption公司研制了Virtuose6D力反饋設備[19]，如圖1-3所示。具有6自由度的位置檢測和6自由度力反饋功能，工作空間為立方體。其最大輸出力達到35N，最大剛度達到8N/mm，并通過直流電機主動激勵實現重力補償。但其靈活性較差，一般用于虛擬裝配、遙操作等領域。圖1-25自由度串聯式力反饋設備[18]圖1-3Virtuose6D串聯式力反饋設備[19]北京航天航空大學是國內較早進行力反饋設備研制的高校，該校在上個世紀90年代研制了3自由度力反饋設備，如圖1-4所示。該力反饋設備結構采用對稱布置的方式，并通過控制電機進行主動重力補償，解決了設備的重力補償問題[20]。天津大學研制了5自由度力反饋設備，如圖1-5所示。該設備用于顯微外科手術完成手術縫合等操作[21]。圖1-4北京航天航空大學力反饋設備[20]圖1-5天津大學串聯式力反饋設備[21]東南大學也研制了7自由度力通用型反饋設備[22]，如圖1-6所示。該設備的7自由度為6自由度運動輸入和1自由度的夾持信號輸入，并能實現6自由度力輸出，它由平行連桿機構和手部旋轉機構組成，從結構上實現了空間運動與手腕姿態(tài)的解耦，在末端增加了指部力反饋機構，實現了手指上的力反潰華南理工大學研制了串聯式6自由度力反饋設備[11]，如圖1-7所示。該設備為華南理工大學研制的第二代力反饋設備，使用配重塊進行被動重力補償。其末端結構采用3個互相嵌套的圓環(huán)結構，通過編碼器采集三軸旋轉角度，進而獲取操作者手腕姿態(tài)。設備工作空間為740mm×476mm×500mm，最大連續(xù)輸出力為3.01N。設備與數據手套相結合，完成了虛擬裝配應用的開發(fā)。
華南理工大學工程碩士學位論文4手術。法國Haption公司研制了Virtuose6D力反饋設備[19]，如圖1-3所示。具有6自由度的位置檢測和6自由度力反饋功能，工作空間為立方體。其最大輸出力達到35N，最大剛度達到8N/mm，并通過直流電機主動激勵實現重力補償。但其靈活性較差，一般用于虛擬裝配、遙操作等領域。圖1-25自由度串聯式力反饋設備[18]圖1-3Virtuose6D串聯式力反饋設備[19]北京航天航空大學是國內較早進行力反饋設備研制的高校，該校在上個世紀90年代研制了3自由度力反饋設備，如圖1-4所示。該力反饋設備結構采用對稱布置的方式，并通過控制電機進行主動重力補償，解決了設備的重力補償問題[20]。天津大學研制了5自由度力反饋設備，如圖1-5所示。該設備用于顯微外科手術完成手術縫合等操作[21]。圖1-4北京航天航空大學力反饋設備[20]圖1-5天津大學串聯式力反饋設備[21]東南大學也研制了7自由度力通用型反饋設備[22]，如圖1-6所示。該設備的7自由度為6自由度運動輸入和1自由度的夾持信號輸入，并能實現6自由度力輸出，它由平行連桿機構和手部旋轉機構組成，從結構上實現了空間運動與手腕姿態(tài)的解耦，在末端增加了指部力反饋機構，實現了手指上的力反潰華南理工大學研制了串聯式6自由度力反饋設備[11]，如圖1-7所示。該設備為華南理工大學研制的第二代力反饋設備，使用配重塊進行被動重力補償。其末端結構采用3個互相嵌套的圓環(huán)結構，通過編碼器采集三軸旋轉角度，進而獲取操作者手腕姿態(tài)。設備工作空間為740mm×476mm×500mm，最大連續(xù)輸出力為3.01N。設備與數據手套相結合，完成了虛擬裝配應用的開發(fā)。
【參考文獻】：
期刊論文
[1]面向虛擬維修的多點碰撞虛擬手研究[J]. 姚壽文,胡子然,王瑀,張家豪,劉智濛,丁佳,常富祥. 重慶理工大學學報(自然科學). 2019(06)
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[5]多模態(tài)力觸覺交互技術及應用[J]. 宋愛國,田磊,倪得晶,秦歡歡. 中國科學:信息科學. 2017(09)
[6]力反饋主操作手附加力的補償策略研究[J]. 贠今天,劉陽陽,楊全利,桑宏強. 中國機械工程. 2017(10)
[7]虛擬現實的人機交互綜述[J]. 張鳳軍,戴國忠,彭曉蘭. 中國科學:信息科學. 2016(12)
[8]計算機觸覺:虛擬現實環(huán)境的力觸覺建模和生成[J]. 王黨校,焦健,張玉茹,趙曉含. 計算機輔助設計與圖形學學報. 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. 系統仿真學報. 2015(10)
[10]三自由度平動手控器重力補償研究[J]. 劉世平,余昆,李世其,王博,宋樊. 機械制造與自動化. 2015(02)
博士論文
[1]虛擬手術仿真系統中軟組織切割模型研究[D]. 程強強.南昌大學 2018
[2]虛擬手術力反饋真實感提升方法研究[D]. 胡陟.上海交通大學 2016
[3]基于力覺/觸覺反饋的虛擬裝配系統相關技術研究[D]. 陳成軍.山東大學 2008
碩士論文
[1]基于虛擬現實的工業(yè)機器人運動仿真與控制研究[D]. 賁飛.哈爾濱理工大學 2019
[2]虛擬手術中的接觸力計算及力反饋裝置設計[D]. 歐惠棠.廣東工業(yè)大學 2018
[3]基于Unity3D的虛擬裝配技術研究與實現[D]. 謝振清.哈爾濱工業(yè)大學 2018
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[5]集成力反饋的機器人砂帶拋光虛擬示教關鍵技術研究[D]. 謝海龍.華南理工大學 2018
[6]六自由度串聯式力反饋機械臂研發(fā)與應用研究[D]. 劉家武.華南理工大學 2018
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[8]機械臂軌跡規(guī)劃及動力學研究[D]. 王文壇.山東大學 2017
[9]虛擬現實系統中人機交互技術研究[D]. 李辰龍.浙江大學 2017
[10]模擬訓練系統聲音信號處理與交互技術研究[D]. 楊竹.沈陽理工大學 2017
本文編號：3619166
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