手部力反馈装置及系统研究

发布时间：2017-10-27 11:01

  本文关键词：手部力反馈装置及系统研究

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【摘要】：随着虚拟现实技术和遥操作技术的发展,力反馈设备作为一种新型的人机接口设备,给操作者带来了更加强烈的临场感效果,也创造了更加自然的人机交互方式,手部力反馈作为力反馈技术的一种,可以应用到多个领域,因此手部力反馈技术的研究对多个行业的发展都起到关键的作用。手部力反馈设备性能和力反馈效果会直接影响到整个虚拟系统或者遥操作系统的执行性能。目前,国内外力反馈产品还较少,力反馈设备量程小,体积大,比较复杂,存在一些问题需要改进,在力反馈精度、通用性、稳定性等方面还有待提高。本文针对以上的一些问题设计了一款小型高精度的三自由度手部力反馈设备,并对其配套的软件和控制进行了详细的研究。所设计的手部力反馈设备具有位置精度高、工作空间大、各自由度之间无耦合、稳定性好、通用性较强等优点。本文的主要工作和创新点在于：(1)根据手部力反馈设备的原理和设计原则,采用SolidWorks设计三自由度力反馈手柄的结构,手柄的整体结构中三个转轴垂直相交于一点,三个方向的转动和反馈力之间没有耦合,采用伞齿轮传动,提高了结构的紧凑性。(2)完成力反馈手柄的系统设计,采用两级处理器的进行控制,上下位机之间通过串口交换数据。硬件电路基于STM32F103系列的微处理器完成位置信号的采集和电机驱动。PC软件构建了数据显示模块和三维虚拟场景模块,采用多线程的方式将力觉刷新独立于单独的线程中以提高力觉刷新率。(3)分别对操作者、力反馈手柄和虚拟环境进行建模,基于阻抗再现的形式对系统总体建模,利用赫尔维兹代数判据给出系统稳定性条件,讨论了虚拟环境参数、零阶保持器、操作者阻抗对系统稳定性的影响。提出了一种基于自回归模型的预测方法和三次B样条插值相结合的控制算法,能够提高系统的稳定性。(4)基于手部力反馈系统完成人机工程学实验,研究了引导力对操作效率的影响,复位力、虚拟物体运动速度、臂长对操作范围的影响,并对人体操作手柄的范围、速度、轨迹、手柄头舒适度等内容进行详细的分析和论证。
【关键词】：手部力反馈 STM32 多线程 预测插值 人机工程学
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP391.9;TB18
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第一章 绪论10-18
• 1.1 手部力反馈技术概述10-13
• 1.1.1 力反馈的概念10-11
• 1.1.2 力反馈设备的分类11-12
• 1.1.3 力反馈技术的应用12
• 1.1.4 手部力反馈技术的研究意义12-13
• 1.2 国内外研究现状13-16
• 1.2.1 国外研究现状13-15
• 1.2.2 国内研究现状15-16
• 1.3 论文研究内容和组织结构16-18
• 第二章 力反馈手柄原理与结构18-28
• 2.1 引言18
• 2.2 力反馈手柄的工作原理18
• 2.3 力反馈手柄的设计原则18-19
• 2.4 力反馈执行器和位置传感器19-21
• 2.4.1 力反馈执行器的选择19-20
• 2.4.2 电气时间常数20
• 2.4.3 电机堵转的安全性20
• 2.4.4 位置传感器的选择20-21
• 2.5 力反馈手柄结构的设计21-25
• 2.5.1 总体结构设计21-23
• 2.5.2 圆柱体套筒的设计23
• 2.5.3 长方体框的设计23-24
• 2.5.4 底座设计24
• 2.5.5 X轴及Y轴转轴及轴承的设计24
• 2.5.6 齿轮传动机构设计24-25
• 2.5.7 手柄的表面处理25
• 2.6 机构运动学分析25-26
• 2.7 本章小结26-28
• 第三章 硬件电路设计28-38
• 3.1 引言28
• 3.2 力反馈手柄硬件电路总体结构28-29
• 3.3 控制器选型29-30
• 3.4 电源供电模块30
• 3.5 光电编码器接口模块30-32
• 3.5.1 光电编码器的原理及输出31-32
• 3.5.2 光电编码器接口电路设计32
• 3.6 电机驱动模块32-35
• 3.7 通信电路模块35-36
• 3.8 本章小结36-38
• 第四章 力反馈手柄系统软件设计38-52
• 4.1 引言38
• 4.2 力反馈手柄下位机软件设计38-42
• 4.2.1 下位机软件设计38-39
• 4.2.2 光电编码器计数模块39-40
• 4.2.3 驱动电机模块40-41
• 4.2.4 串口通信模块41-42
• 4.3 力反馈手柄上位机软件设计42-51
• 4.3.1 上位机软件需求分析42-43
• 4.3.2 软件总体设计43-44
• 4.3.3 软件整体布局44-45
• 4.3.4 串口通信模块45-47
• 4.3.5 数据显示模块47-48
• 4.3.6 三维场景模块48-50
• 4.3.7 碰撞检测与力反馈建模50-51
• 4.4 本章小结51-52
• 第五章 力反馈手柄系统稳定性分析52-68
• 5.1 引言52-53
• 5.2 力反馈系统建模53-62
• 5.2.1 操作者建模53-54
• 5.2.2 力反馈手柄建模54-55
• 5.2.3 虚拟环境建模55-56
• 5.2.4 力反馈系统总体建模56-58
• 5.2.5 稳定性分析58-62
• 5.3 基于预测插值的力反馈控制方法62-66
• 5.3.1 预测算法63
• 5.3.2 插值算法63-64
• 5.3.3 实验结果分析64-66
• 5.4 本章小结66-68
• 第六章 基于力反馈手柄系统的人机工程学实验68-84
• 6.1 引言68
• 6.2 人机工程学实验设计68-70
• 6.3 实验过程70-71
• 6.4 实验结果分析71-82
• 6.4.1 引导力对操作效率的影响71-72
• 6.4.2 复位力与人体手部操作范围的关系72-74
• 6.4.3 虚拟物体运动速度与手部操作范围的关系74-77
• 6.4.4 臂长与手部操作范围的关系77-78
• 6.4.5 不同方向操作幅度的差异78-79
• 6.4.6 人体操作范围及操作速度的确定79-80
• 6.4.7 操作手柄轨迹分析80-81
• 6.4.8 手柄头舒适性分析81-82
• 6.5 本章小结82-84
• 第七章 总结与展望84-86
• 7.1 总结84-85
• 7.2 展望85-86
• 致谢86-88
• 参考文献88-92
• 硕士期间参与发表的论文和专利92

【参考文献】

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本文编号：1103177