导纳型力觉接口研制及人机交互稳定性研究

论文摘要

视觉、听觉、触觉、嗅觉等多感知融合的信息反馈形式将打破传统人机交互的视觉反馈局限,极大提高了人机交互的灵活度和真实度。力觉接口设备是实现人机力觉交互的输入输出设备,已被广泛应用于虚拟现实系统和具有力觉临场感的遥操作系统。力觉接口设备的研制及其力觉交互系统理论研究对于提高人机交互的自然性和高效性具有重要的理论和现实意义。在分析研究现有力觉交互设备后,本文提出并研制了一种新型导纳力觉接口设备,其基于摩擦轮进行传动,具有低惯量、高响应速度等特点。为了防止传动中打滑及疲劳点蚀等失效状况的出现,对摩擦轮进行了受力计算和疲劳强度校核,而后进行了主要结构的具体设计以及电机、传感器等元器件的选型。对于力觉交互设备来说,由于其主动释放能量的特性,所以其稳定性成为研究的主要问题,本文基于二端口网络对力觉接口设备进行建模,并利用二端口绝对稳定的莱威林准则对力觉交互系统进行稳定性分析,得到系统稳定与各参数的关系,并且为实现力觉接口的设计脱离虚拟环境独立进行,研究了引入了虚拟匹配环节的设计方法对系统稳定性的影响。基于模块化的思想,建立了力觉接口控制系统的体系结构,并从运动控制单元、采集测量单元、串行通信单元和安全保护单元四个方面对控制系统进行了具体实现,满足了控制周期短,操作安全等设计需求。最后,建立了人机力觉交互实验系统,进行了不同比例系数及是否引入虚拟匹配环节不同情况下的虚拟弹簧模拟实验,通过对实验结果的分析,验证了控制算法的有效性和系统运行的稳定性,获得了比较好的力觉临场感效果。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 力觉接口设备的国内外研究发展现状
• 1.3 人机力觉交互系统控制方法研究现状
• 1.4 课题的来源和本课题研究的内容
• 第2章 新型导纳型力觉接口结构设计
• 2.1 引言
• 2.2 力觉接口设备传动方案及摩擦传动设计
• 2.2.1 力觉接口的设备传动方案
• 2.2.2 摩擦轮传动的设计与强度校核
• 2.3 力觉接口设备机械结构设计
• 2.3.1 带有导向轮的运动平台结构设计
• 2.3.2 带有主动轮的机架结构设计
• 2.4 元器件的选型
• 2.4.1 电动机的选型
• 2.4.2 传感器的选型
• 2.5 本章小结
• 第3章 单自由度导纳型力觉接口稳定性研究
• 3.1 引言
• 3.2 单自由度力觉交互系统的模型建立
• 3.2.1 二端口特性描述
• 3.2.2 基于二端口网络的力觉交互系统建模
• 3.3 力觉交互系统的稳定判据
• 3.3.1 无源性判据及定义
• 3.3.2 绝对稳定性理论及其判据
• 3.3.3 无源性与绝对稳定性的比较
• 3.4 单自由度力觉交互系统的绝对稳定性研究
• 3.4.1 单自由度力觉交互系统稳定性分析
• 3.4.2 引入虚拟匹配环节的力觉交互系统稳定性分析
• 3.5 本章小结
• 第4章 导纳型力觉接口控制系统设计
• 4.1 引言
• 4.2 导纳力觉接口的控制系统体系结构
• 4.3 力觉接口控制系统设计
• 4.3.1 运动控制单元
• 4.3.2 采集测量单元
• 4.3.3 安全保护单元
• 4.3.4 串行通讯单元
• 4.4 本章小结
• 第5章 力觉交互系统实验研究
• 5.1 引言
• 5.2 实验系统的总体组成
• 5.3 实验系统软件设计
• 5.4 弹簧力模拟实验
• 5.4.1 没有虚拟匹配环节的弹簧力实验
• 5.4.2 带有虚拟匹配环节的弹簧力实验
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢