虚拟触觉设备快速成型环境系统研究
发布时间：2021-12-23 12:53
基于虚拟环境的触觉反馈技术是一项允许操作者通过触觉设备控制计算机,模拟虚拟环境中物体运动,并感知其发生碰撞时产生反馈力的技术。在过去的几十年里,触觉反馈技术的快速发展使得它被广泛应用于各个领域。特别是在中风康复领域中,触觉反馈辅助中风患者上肢康复的效果相较于传统物理疗法更为显著。但目前国内对触觉反馈系统的基础原理研究尚不成熟,本文在此背景下拟开发一个用于虚拟触觉设备快速成型的环境系统。这里所谓的环境系统,是指在系统中配置一个特定的用户可定制的机器人,该机器人在运行过程中能为用户提供触觉信息反馈。本文的核心目标是开发一种三自由度机器人及其配套的环境系统。围绕该目标我们做了以下四个部分工作:（1）设计一种能反馈三自由度触觉力的桌面式串联机器人。该机器人需具备低质量,高刚度的特点,并且要求在运行过程中关节间的摩擦力尽可能的小;（2）搭建上下位机通信系统。该通信系统的主要功能是检测位移信息和控制电机的运转,并通过串口通信与上位机的虚拟环境进行实时双向通信;（3）在上位机中搭建虚拟环境。该虚拟环境接收下位机的位移信息并将其转换为力矩信息反馈给触觉设备,它是控制整个系统运行的核心模块;（4）设计实...
【文章来源】：华东理工大学上海市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：85 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图２．１全息交互虚拟现实系统??Ｆｉｇ．?２．１?Ｈｏｌｏｇｒａｐｈｉｃ?ｉｎｔｅｒａｃｔｉｖｅ?ｖｉｒｔｕａｌ?ｒｅａｌｉｔｙ?ｓｙｓｔｅｍ??
华东理工大学硕士学位论文?第５页??■Ｉ：??論??图２．１全息交互虚拟现实系统??Ｆｉｇ．?２．１?Ｈｏｌｏｇｒａｐｈｉｃ?ｉｎｔｅｒａｃｔｉｖｅ?ｖｉｒｔｕａｌ?ｒｅａｌｉｔｙ?ｓｙｓｔｅｍ??触觉技术是一项能使用户在与计算机构建的ＶＥ进行交互时，通过虚拟对象施加在触觉??设备上的力、振动等信息来感知物体的形状、大孝质量等物理特征的高新技术［２３］。这项技??术最初是应用在大型飞机上伺服机构系统的操纵控制面板中，用来模拟驾驶过程中对周围环??境的触觉感知。在用户“触摸”虚拟对象时，人体的皮肤能感受到力的相互作用，这些力信??息会向大脑传达外界对象的物理属性，从而刺激大脑对肌肉运动的控制。这也是触觉技术能??够实现的最根本的原理。在触觉反馈系统中，由人类触觉、机械触觉和计算机触觉三个部分??共同构成。图２．２为一般情况下的触觉反馈闭环系统。其中，左图部分表示人体触觉中人手??感知触觉设备上的力，再将信息传递给大脑来控制手的过程。右图部分表示手控制触觉设备??执行运动，由传感器将位移信息传递到计算机模拟的ＶＥ中，经由仿真模拟后传递力信息给??触觉设备。系统中人体部分的传感器、处理器和驱动器分别是皮肤、大脑和手；而相应机器??触觉部分则是编码器、计算机和电机［２４］。??肌肉组织?传感器??大脑．湖觉?ＩＩ机器難?计算机難??传感器?执行器??图２．２触觉反馈闭环系统架构图［２５！??Ｆｉｇ．?２．２?Ｈａｐｔｉｃ?ｆｅｅｄｂａｃｋ?ｃｌｏｓｅｄ－ｌｏｏｐ?ｓｙｓｔｅｍ?ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ?ｄｉａｇｒａｍ［２５］??２．３触觉技术实现原理??触觉技术最初的基本思想是将用户与触觉设备交互时产生的触觉信
８］，这也是本论文的研宄对象。由此可见，触??觉系统的本质是通过网络空间的方式向远程用户提供触觉反溃??本文工作是对触觉交互系统的构建，而其中最为关键的部分就是触觉渲染（Ｈａｐｔｉｃ??Ｒｅｎｄｅｒｉｎｇ）。所谓的触觉渲染就是将触觉设备执行器末端的位移信息转换为对应反馈力信息的??过程，其目的是利用计算机图形学和ＶＲ技术模拟出现实环境中的人类与物体发生主动接触??时的力作用ｔ２９］。在虚拟触觉系统中，常见的在用户和ＶＥ间传递力信息的媒介是机械链结构，??这样的设备也被简称为触觉设备。图２．３ａ所示为虚拟触觉系统的实际应用场景。当图中用户??用手操作触觉设备移动时，传感器会将用户的动作信息上传至计算机构建的ＶＥ中并映射到??显示器上，同时ＶＥ也控制着电机利用触觉设备的连杆结构将力信息反馈到用户手上，这个??过程体现了虚拟触觉的反馈机理，也从侧面反映了虚拟触觉交互系统是一个双向的、实时通??信系统。图２．３ｂ是一般性虚拟触觉交互系统的流程图。由图中可以看出，用户在通过图形显??示界面看到ＶＥ中物体和场景的同时，还能利用触觉设备与ＶＥ进行触觉交互并感受触觉渲??染后的反馈力。其中ＶＥ是整个系统的核心所在。它处理触觉设备的输入信号，构建三维虚??拟对象，并将触觉渲染后的图形及触觉信息分别传输给显示器和触觉设备。???贿私?？?１??ｒ—Ｌｎ?，??１＾１???揉作者?触觉设备?计笄机?虚拟环境??ｍ?１ｍ??ｒＫ—?ｒ￣Ｓ—?ｉ￣１７ｉ???（ａ）?（ｂ）??图２．３虚拟触觉反馈系统：（ａ）虚拟触觉反馈应用场景；（ｂ）虚拟触觉反馈流程??Ｆｉｇ．?２．３?Ｖｉｒｔｕａｌ?ｈａ
【参考文献】：
期刊论文
[1]虚拟现实及触觉交互技术:趋势与瓶颈[J]. 帅立国. 人民论坛·学术前沿. 2016(24)
[2]基于虚拟现实的力反馈设备的研究与应用[J]. 李佳佳,齐元胜,王晓华,张斌. 机械科学与技术. 2011(07)
硕士论文
[1]基于单点式力反馈设备的虚拟装配研究[D]. 卢丽婷.华南理工大学 2014
[2]虚拟手术系统中力反馈技术的设计与实现[D]. 于德海.山东大学 2013
[3]力触觉再现系统的稳定性问题研究[D]. 赵浩.南京航空航天大学 2013
[4]基于层次包围盒的Bézier曲面求交算法研究及实现[D]. 姚薇薇.大连理工大学 2008
本文编号：3548515
【文章来源】：华东理工大学上海市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：85 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图２．１全息交互虚拟现实系统??Ｆｉｇ．?２．１?Ｈｏｌｏｇｒａｐｈｉｃ?ｉｎｔｅｒａｃｔｉｖｅ?ｖｉｒｔｕａｌ?ｒｅａｌｉｔｙ?ｓｙｓｔｅｍ??
华东理工大学硕士学位论文?第５页??■Ｉ：??論??图２．１全息交互虚拟现实系统??Ｆｉｇ．?２．１?Ｈｏｌｏｇｒａｐｈｉｃ?ｉｎｔｅｒａｃｔｉｖｅ?ｖｉｒｔｕａｌ?ｒｅａｌｉｔｙ?ｓｙｓｔｅｍ??触觉技术是一项能使用户在与计算机构建的ＶＥ进行交互时，通过虚拟对象施加在触觉??设备上的力、振动等信息来感知物体的形状、大孝质量等物理特征的高新技术［２３］。这项技??术最初是应用在大型飞机上伺服机构系统的操纵控制面板中，用来模拟驾驶过程中对周围环??境的触觉感知。在用户“触摸”虚拟对象时，人体的皮肤能感受到力的相互作用，这些力信??息会向大脑传达外界对象的物理属性，从而刺激大脑对肌肉运动的控制。这也是触觉技术能??够实现的最根本的原理。在触觉反馈系统中，由人类触觉、机械触觉和计算机触觉三个部分??共同构成。图２．２为一般情况下的触觉反馈闭环系统。其中，左图部分表示人体触觉中人手??感知触觉设备上的力，再将信息传递给大脑来控制手的过程。右图部分表示手控制触觉设备??执行运动，由传感器将位移信息传递到计算机模拟的ＶＥ中，经由仿真模拟后传递力信息给??触觉设备。系统中人体部分的传感器、处理器和驱动器分别是皮肤、大脑和手；而相应机器??触觉部分则是编码器、计算机和电机［２４］。??肌肉组织?传感器??大脑．湖觉?ＩＩ机器難?计算机難??传感器?执行器??图２．２触觉反馈闭环系统架构图［２５！??Ｆｉｇ．?２．２?Ｈａｐｔｉｃ?ｆｅｅｄｂａｃｋ?ｃｌｏｓｅｄ－ｌｏｏｐ?ｓｙｓｔｅｍ?ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ?ｄｉａｇｒａｍ［２５］??２．３触觉技术实现原理??触觉技术最初的基本思想是将用户与触觉设备交互时产生的触觉信
８］，这也是本论文的研宄对象。由此可见，触??觉系统的本质是通过网络空间的方式向远程用户提供触觉反溃??本文工作是对触觉交互系统的构建，而其中最为关键的部分就是触觉渲染（Ｈａｐｔｉｃ??Ｒｅｎｄｅｒｉｎｇ）。所谓的触觉渲染就是将触觉设备执行器末端的位移信息转换为对应反馈力信息的??过程，其目的是利用计算机图形学和ＶＲ技术模拟出现实环境中的人类与物体发生主动接触??时的力作用ｔ２９］。在虚拟触觉系统中，常见的在用户和ＶＥ间传递力信息的媒介是机械链结构，??这样的设备也被简称为触觉设备。图２．３ａ所示为虚拟触觉系统的实际应用场景。当图中用户??用手操作触觉设备移动时，传感器会将用户的动作信息上传至计算机构建的ＶＥ中并映射到??显示器上，同时ＶＥ也控制着电机利用触觉设备的连杆结构将力信息反馈到用户手上，这个??过程体现了虚拟触觉的反馈机理，也从侧面反映了虚拟触觉交互系统是一个双向的、实时通??信系统。图２．３ｂ是一般性虚拟触觉交互系统的流程图。由图中可以看出，用户在通过图形显??示界面看到ＶＥ中物体和场景的同时，还能利用触觉设备与ＶＥ进行触觉交互并感受触觉渲??染后的反馈力。其中ＶＥ是整个系统的核心所在。它处理触觉设备的输入信号，构建三维虚??拟对象，并将触觉渲染后的图形及触觉信息分别传输给显示器和触觉设备。???贿私?？?１??ｒ—Ｌｎ?，??１＾１???揉作者?触觉设备?计笄机?虚拟环境??ｍ?１ｍ??ｒＫ—?ｒ￣Ｓ—?ｉ￣１７ｉ???（ａ）?（ｂ）??图２．３虚拟触觉反馈系统：（ａ）虚拟触觉反馈应用场景；（ｂ）虚拟触觉反馈流程??Ｆｉｇ．?２．３?Ｖｉｒｔｕａｌ?ｈａ
【参考文献】：
期刊论文
[1]虚拟现实及触觉交互技术:趋势与瓶颈[J]. 帅立国. 人民论坛·学术前沿. 2016(24)
[2]基于虚拟现实的力反馈设备的研究与应用[J]. 李佳佳,齐元胜,王晓华,张斌. 机械科学与技术. 2011(07)
硕士论文
[1]基于单点式力反馈设备的虚拟装配研究[D]. 卢丽婷.华南理工大学 2014
[2]虚拟手术系统中力反馈技术的设计与实现[D]. 于德海.山东大学 2013
[3]力触觉再现系统的稳定性问题研究[D]. 赵浩.南京航空航天大学 2013
[4]基于层次包围盒的Bézier曲面求交算法研究及实现[D]. 姚薇薇.大连理工大学 2008
本文编号：3548515
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