六自由度串联式力反馈设备功能改进及交互性能研究
发布时间：2022-02-10 16:33
作为人机交互的接口,力反馈设备将虚拟环境中的力觉信息真实地反馈给操作者,大大提高了操作的交互性和临场感。目前,国内对力反馈设备的研究与国外相比还有较大差距,不仅体现在力反馈设备自身的性能,更体现在交互应用程序开发功能上。针对上述问题,本文以实验室自主研发的六自由度串联式力反馈设备为研究对象,分别从设备和应用开发层面,对力反馈设备进行研究,主要内容如下:（1）在设备层面上,对设备末端机构和重力补偿进行功能优化。研制了通用型多用途末端,使用蓝牙陀螺仪采集姿态,解决了原末端通用性差、笨重且操作不灵活的问题。基于新末端,利用静力平衡方法重新进行被动重力补偿研究,并通过动力学仿真优化平衡方程。对重力补偿效果进行了实验测量,残余重力相较于原补偿方案降低了59%。（2）研究了对力反馈设备交互性能进行评估的实验验证方法。根据交互性能指标设计实验评估方法,并通过心理物理学方法进行交互性能量化研究,最后对三台不同类型的力反馈设备交互性能进行评估,验证了评估方法的有效性。（3）在应用开发层面上,重点解决了操作虚拟物体时的交互穿透效应和设备-上位机通信的通用性问题。提出了基于Phys X物理引擎的速度控制多点...
【文章来源】：华南理工大学广东省211工程院校985工程院校教育部直属院校
【文章页数】：110 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
自由度串联式力反馈设备[18]
华南理工大学工程硕士学位论文4手术。法国Haption公司研制了Virtuose6D力反馈设备[19]，如图1-3所示。具有6自由度的位置检测和6自由度力反馈功能，工作空间为立方体。其最大输出力达到35N，最大刚度达到8N/mm，并通过直流电机主动激励实现重力补偿。但其灵活性较差，一般用于虚拟装配、遥操作等领域。图1-25自由度串联式力反馈设备[18]图1-3Virtuose6D串联式力反馈设备[19]北京航天航空大学是国内较早进行力反馈设备研制的高校，该校在上个世纪90年代研制了3自由度力反馈设备，如图1-4所示。该力反馈设备结构采用对称布置的方式，并通过控制电机进行主动重力补偿，解决了设备的重力补偿问题[20]。天津大学研制了5自由度力反馈设备，如图1-5所示。该设备用于显微外科手术完成手术缝合等操作[21]。图1-4北京航天航空大学力反馈设备[20]图1-5天津大学串联式力反馈设备[21]东南大学也研制了7自由度力通用型反馈设备[22]，如图1-6所示。该设备的7自由度为6自由度运动输入和1自由度的夹持信号输入，并能实现6自由度力输出，它由平行连杆机构和手部旋转机构组成，从结构上实现了空间运动与手腕姿态的解耦，在末端增加了指部力反馈机构，实现了手指上的力反溃华南理工大学研制了串联式6自由度力反馈设备[11]，如图1-7所示。该设备为华南理工大学研制的第二代力反馈设备，使用配重块进行被动重力补偿。其末端结构采用3个互相嵌套的圆环结构，通过编码器采集三轴旋转角度，进而获取操作者手腕姿态。设备工作空间为740mm×476mm×500mm，最大连续输出力为3.01N。设备与数据手套相结合，完成了虚拟装配应用的开发。
华南理工大学工程硕士学位论文4手术。法国Haption公司研制了Virtuose6D力反馈设备[19]，如图1-3所示。具有6自由度的位置检测和6自由度力反馈功能，工作空间为立方体。其最大输出力达到35N，最大刚度达到8N/mm，并通过直流电机主动激励实现重力补偿。但其灵活性较差，一般用于虚拟装配、遥操作等领域。图1-25自由度串联式力反馈设备[18]图1-3Virtuose6D串联式力反馈设备[19]北京航天航空大学是国内较早进行力反馈设备研制的高校，该校在上个世纪90年代研制了3自由度力反馈设备，如图1-4所示。该力反馈设备结构采用对称布置的方式，并通过控制电机进行主动重力补偿，解决了设备的重力补偿问题[20]。天津大学研制了5自由度力反馈设备，如图1-5所示。该设备用于显微外科手术完成手术缝合等操作[21]。图1-4北京航天航空大学力反馈设备[20]图1-5天津大学串联式力反馈设备[21]东南大学也研制了7自由度力通用型反馈设备[22]，如图1-6所示。该设备的7自由度为6自由度运动输入和1自由度的夹持信号输入，并能实现6自由度力输出，它由平行连杆机构和手部旋转机构组成，从结构上实现了空间运动与手腕姿态的解耦，在末端增加了指部力反馈机构，实现了手指上的力反溃华南理工大学研制了串联式6自由度力反馈设备[11]，如图1-7所示。该设备为华南理工大学研制的第二代力反馈设备，使用配重块进行被动重力补偿。其末端结构采用3个互相嵌套的圆环结构，通过编码器采集三轴旋转角度，进而获取操作者手腕姿态。设备工作空间为740mm×476mm×500mm，最大连续输出力为3.01N。设备与数据手套相结合，完成了虚拟装配应用的开发。
【参考文献】：
期刊论文
[1]面向虚拟维修的多点碰撞虚拟手研究[J]. 姚寿文,胡子然,王瑀,张家豪,刘智濛,丁佳,常富祥. 重庆理工大学学报(自然科学). 2019(06)
[2]基于力触觉手柄的虚拟环境力反馈交互系统稳定性分析[J]. 李会军,谢桂平,宋爱国,李博维. 仪器仪表学报. 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]数量表征和韦伯—费希纳定律:应用及发展[J]. 孙霁,Alain Content,孙沛. 心理研究. 2017(05)
[5]多模态力触觉交互技术及应用[J]. 宋爱国,田磊,倪得晶,秦欢欢. 中国科学:信息科学. 2017(09)
[6]力反馈主操作手附加力的补偿策略研究[J]. 贠今天,刘阳阳,杨全利,桑宏强. 中国机械工程. 2017(10)
[7]虚拟现实的人机交互综述[J]. 张凤军,戴国忠,彭晓兰. 中国科学:信息科学. 2016(12)
[8]计算机触觉:虚拟现实环境的力触觉建模和生成[J]. 王党校,焦健,张玉茹,赵晓含. 计算机辅助设计与图形学学报. 2016(06)
[9]虚拟软组织针刺与力觉交互[J]. 高瞻,潘飞,王杰华,潘海燕,蒋峥峥. 系统仿真学报. 2015(10)
[10]三自由度平动手控器重力补偿研究[J]. 刘世平,余昆,李世其,王博,宋樊. 机械制造与自动化. 2015(02)
博士论文
[1]虚拟手术仿真系统中软组织切割模型研究[D]. 程强强.南昌大学 2018
[2]虚拟手术力反馈真实感提升方法研究[D]. 胡陟.上海交通大学 2016
[3]基于力觉/触觉反馈的虚拟装配系统相关技术研究[D]. 陈成军.山东大学 2008
硕士论文
[1]基于虚拟现实的工业机器人运动仿真与控制研究[D]. 贲飞.哈尔滨理工大学 2019
[2]虚拟手术中的接触力计算及力反馈装置设计[D]. 欧惠棠.广东工业大学 2018
[3]基于Unity3D的虚拟装配技术研究与实现[D]. 谢振清.哈尔滨工业大学 2018
[4]三自由度人机交互力反馈装置及应用[D]. 林珍.东南大学 2018
[5]集成力反馈的机器人砂带抛光虚拟示教关键技术研究[D]. 谢海龙.华南理工大学 2018
[6]六自由度串联式力反馈机械臂研发与应用研究[D]. 刘家武.华南理工大学 2018
[7]通用力反馈设备的自适应阻抗控制仿真研究[D]. 温彬彬.北京交通大学 2017
[8]机械臂轨迹规划及动力学研究[D]. 王文坛.山东大学 2017
[9]虚拟现实系统中人机交互技术研究[D]. 李辰龙.浙江大学 2017
[10]模拟训练系统声音信号处理与交互技术研究[D]. 杨竹.沈阳理工大学 2017
本文编号：3619166
【文章来源】：华南理工大学广东省211工程院校985工程院校教育部直属院校
【文章页数】：110 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
自由度串联式力反馈设备[18]
华南理工大学工程硕士学位论文4手术。法国Haption公司研制了Virtuose6D力反馈设备[19]，如图1-3所示。具有6自由度的位置检测和6自由度力反馈功能，工作空间为立方体。其最大输出力达到35N，最大刚度达到8N/mm，并通过直流电机主动激励实现重力补偿。但其灵活性较差，一般用于虚拟装配、遥操作等领域。图1-25自由度串联式力反馈设备[18]图1-3Virtuose6D串联式力反馈设备[19]北京航天航空大学是国内较早进行力反馈设备研制的高校，该校在上个世纪90年代研制了3自由度力反馈设备，如图1-4所示。该力反馈设备结构采用对称布置的方式，并通过控制电机进行主动重力补偿，解决了设备的重力补偿问题[20]。天津大学研制了5自由度力反馈设备，如图1-5所示。该设备用于显微外科手术完成手术缝合等操作[21]。图1-4北京航天航空大学力反馈设备[20]图1-5天津大学串联式力反馈设备[21]东南大学也研制了7自由度力通用型反馈设备[22]，如图1-6所示。该设备的7自由度为6自由度运动输入和1自由度的夹持信号输入，并能实现6自由度力输出，它由平行连杆机构和手部旋转机构组成，从结构上实现了空间运动与手腕姿态的解耦，在末端增加了指部力反馈机构，实现了手指上的力反溃华南理工大学研制了串联式6自由度力反馈设备[11]，如图1-7所示。该设备为华南理工大学研制的第二代力反馈设备，使用配重块进行被动重力补偿。其末端结构采用3个互相嵌套的圆环结构，通过编码器采集三轴旋转角度，进而获取操作者手腕姿态。设备工作空间为740mm×476mm×500mm，最大连续输出力为3.01N。设备与数据手套相结合，完成了虚拟装配应用的开发。
华南理工大学工程硕士学位论文4手术。法国Haption公司研制了Virtuose6D力反馈设备[19]，如图1-3所示。具有6自由度的位置检测和6自由度力反馈功能，工作空间为立方体。其最大输出力达到35N，最大刚度达到8N/mm，并通过直流电机主动激励实现重力补偿。但其灵活性较差，一般用于虚拟装配、遥操作等领域。图1-25自由度串联式力反馈设备[18]图1-3Virtuose6D串联式力反馈设备[19]北京航天航空大学是国内较早进行力反馈设备研制的高校，该校在上个世纪90年代研制了3自由度力反馈设备，如图1-4所示。该力反馈设备结构采用对称布置的方式，并通过控制电机进行主动重力补偿，解决了设备的重力补偿问题[20]。天津大学研制了5自由度力反馈设备，如图1-5所示。该设备用于显微外科手术完成手术缝合等操作[21]。图1-4北京航天航空大学力反馈设备[20]图1-5天津大学串联式力反馈设备[21]东南大学也研制了7自由度力通用型反馈设备[22]，如图1-6所示。该设备的7自由度为6自由度运动输入和1自由度的夹持信号输入，并能实现6自由度力输出，它由平行连杆机构和手部旋转机构组成，从结构上实现了空间运动与手腕姿态的解耦，在末端增加了指部力反馈机构，实现了手指上的力反溃华南理工大学研制了串联式6自由度力反馈设备[11]，如图1-7所示。该设备为华南理工大学研制的第二代力反馈设备，使用配重块进行被动重力补偿。其末端结构采用3个互相嵌套的圆环结构，通过编码器采集三轴旋转角度，进而获取操作者手腕姿态。设备工作空间为740mm×476mm×500mm，最大连续输出力为3.01N。设备与数据手套相结合，完成了虚拟装配应用的开发。
【参考文献】：
期刊论文
[1]面向虚拟维修的多点碰撞虚拟手研究[J]. 姚寿文,胡子然,王瑀,张家豪,刘智濛,丁佳,常富祥. 重庆理工大学学报(自然科学). 2019(06)
[2]基于力触觉手柄的虚拟环境力反馈交互系统稳定性分析[J]. 李会军,谢桂平,宋爱国,李博维. 仪器仪表学报. 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]数量表征和韦伯—费希纳定律:应用及发展[J]. 孙霁,Alain Content,孙沛. 心理研究. 2017(05)
[5]多模态力触觉交互技术及应用[J]. 宋爱国,田磊,倪得晶,秦欢欢. 中国科学:信息科学. 2017(09)
[6]力反馈主操作手附加力的补偿策略研究[J]. 贠今天,刘阳阳,杨全利,桑宏强. 中国机械工程. 2017(10)
[7]虚拟现实的人机交互综述[J]. 张凤军,戴国忠,彭晓兰. 中国科学:信息科学. 2016(12)
[8]计算机触觉:虚拟现实环境的力触觉建模和生成[J]. 王党校,焦健,张玉茹,赵晓含. 计算机辅助设计与图形学学报. 2016(06)
[9]虚拟软组织针刺与力觉交互[J]. 高瞻,潘飞,王杰华,潘海燕,蒋峥峥. 系统仿真学报. 2015(10)
[10]三自由度平动手控器重力补偿研究[J]. 刘世平,余昆,李世其,王博,宋樊. 机械制造与自动化. 2015(02)
博士论文
[1]虚拟手术仿真系统中软组织切割模型研究[D]. 程强强.南昌大学 2018
[2]虚拟手术力反馈真实感提升方法研究[D]. 胡陟.上海交通大学 2016
[3]基于力觉/触觉反馈的虚拟装配系统相关技术研究[D]. 陈成军.山东大学 2008
硕士论文
[1]基于虚拟现实的工业机器人运动仿真与控制研究[D]. 贲飞.哈尔滨理工大学 2019
[2]虚拟手术中的接触力计算及力反馈装置设计[D]. 欧惠棠.广东工业大学 2018
[3]基于Unity3D的虚拟装配技术研究与实现[D]. 谢振清.哈尔滨工业大学 2018
[4]三自由度人机交互力反馈装置及应用[D]. 林珍.东南大学 2018
[5]集成力反馈的机器人砂带抛光虚拟示教关键技术研究[D]. 谢海龙.华南理工大学 2018
[6]六自由度串联式力反馈机械臂研发与应用研究[D]. 刘家武.华南理工大学 2018
[7]通用力反馈设备的自适应阻抗控制仿真研究[D]. 温彬彬.北京交通大学 2017
[8]机械臂轨迹规划及动力学研究[D]. 王文坛.山东大学 2017
[9]虚拟现实系统中人机交互技术研究[D]. 李辰龙.浙江大学 2017
[10]模拟训练系统声音信号处理与交互技术研究[D]. 杨竹.沈阳理工大学 2017
本文编号：3619166
本文链接：https://www.wllwen.com/projectlw/swxlw/3619166.html
