基于虚拟现实技术的力觉交互设备的研究与构建

论文摘要

作为一门诞生于二十世纪后半叶的新兴多学科交叉技术,虚拟现实技术展现出强大的学科发展生命力和应用前景,目前已广泛应用于工程、教育、医学、军事、艺术、娱乐等诸多领域。长期以来,人们对虚拟现实技术的研究和应用主要集中在视觉和听觉模拟上。近年来,随着计算机科学和机器人技术的不断发展与进步,虚拟现实技术中的力觉交互技术逐渐成为新的国内外研究热点,得到了前所未有的重视。许多发达国家在这方面开展了大量研究,目前国外已出现商品化的力觉交互设备。相比之下,目前国内对虚拟现实技术的研究与应用都尚处于起步阶段,尤其是在力觉交互技术方面与国外有着相当大的差距。本文首先介绍了虚拟现实技术中力觉交互技术的概念以及国内外研究现状,探讨了目前在领域内实现人机力觉交互的方法和原理。然后,本文面向虚拟现实技术在医学上的应用领域,针对虚拟手术对力觉交互技术的具体要求,设计一款可实现五自由度运动并满足相应力反馈要求的力觉交互设备,以期构建出一个可以通过视觉、听觉、力觉多感知通道进行人机交互的虚拟现实系统,用于实现对实际临床手术过程的逼真模拟。本文主要部分是对面向虚拟手术的力反馈设备的研究与开发,包括设备整体设计原则和指标的确定、驱动执行元件和传感器的选择、机械结构的设计与制造、设备的机构分析、设备整体装配与调试。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 虚拟现实技术概述
• 1.1.1 虚拟现实技术的基本概念
• 1.1.2 虚拟现实技术的基本特征
• 1.2 虚拟现实技术中的人机交互途径
• 1.2.1 视觉
• 1.2.2 听觉
• 1.2.3 嗅觉和味觉
• 1.2.4 力觉、触觉及运动感觉
• 1.3 力觉交互技术概述
• 1.3.1 力觉交互技术概述
• 1.3.2 力觉交互设备分类
• 1.3.3 国内外研究现状
• 1.3.4 力觉交互技术的应用
• 1.4 本课题的研究背景及意义
• 1.4.1 研究背景
• 1.4.2 课题意义
• 1.5 本课题的研究内容
• 第二章 力觉交互设备的原理与构成
• 2.1 原理与总体结构
• 2.2 机械结构
• 2.3 驱动执行元件
• 2.3.1 气动/液压驱动器
• 2.3.2 电机
• 2.3.3 电/磁流变液
• 2.3.4 磁粉制动器
• 2.4 传感器
• 2.4.1 位置传感器
• 2.4.2 速度传感器
• 2.4.3 力/力矩传感器
• 2.4.4 其他类型传感器
• 2.5 本章小结
• 第三章 整体设计原则与指标
• 3.1 实际临床手术分析
• 3.2 力反馈设备的设计指标
• 3.3 力反馈设备的设计原则
• 3.4 本章小结
• 第四章 电机与传感器的选型
• 4.1 电机的选型
• 4.1.1 电机实现力反馈的控制原理
• 4.1.2 电机的热分析
• 4.1.3 电机堵转状态下的安全措施
• 4.1.4 电机型号的选定
• 4.2 传感器的选型
• 4.2.1 位置传感器的选型因素
• 4.2.2 传感器的选定
• 4.3 本章小结
• 第五章 力觉交互设备的设计与制造
• 5.1 力反馈设备的典型结构形式
• 5.2 各自由度的配置
• 5.3 机械传动
• 5.3.1 线传动
• 5.3.2 验证实验
• 5.4 机械结构的工程设计
• 5.5 设备总体装配与调试
• 5.6 问题与改进意见
• 5.7 设备的机构分析
• 5.7.1 正运动学分析
• 5.7.2 静力分析
• 5.8 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 研究展望
• 附录力反馈机制验证模型机装配图
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间已发表或录用的论文
• 攻读硕士学位期间已授权或申请的国家专利
• 攻读硕士学位期间参与的科研项目
• 致谢