基于氣動肌肉的雙向力反饋數據手套的研究.pdf

1、虛擬現實系統中，力覺模擬和再現是增強系統真實感，營造沉浸效果的基本手段之一，與之相關的研究日益受到重視，并成為一個新的研究領域。目前，力覺再現的形式各種各樣，其中應用比較廣泛的為力反饋數據手套。本文提出并設計了一種基于氣動肌肉的外骨架式雙向力反饋數據手套，只對指尖施加單點作用力，無需對每個手指關節(jié)施加力。使得整體結構簡單，重量輕，與手指的固定更牢固，便于控制。該數據手套能夠提供雙向力作用，可以驅動手指彎曲/伸展雙向運動，使其不僅能夠應用

2、于虛擬裝配、遙操作等虛擬現實領域，而且能夠應用于手指的醫(yī)學康復中。本研究主要內容如下： ⑴介紹了數據手套的整體結構、驅動系統、角度測量原理和力反饋原理。驅動系統采用了一對對抗性氣動肌肉加制動器的方式，既能夠滿足人手的自然運動，又能夠隨時制動進而產生雙向力反饋。采用非接觸式磁阻傳感器，間接測量手指的彎曲角度。設計了一種基于應變測量的力矩傳感器，通過測量數據手套的驅動力矩，間接測量作用在手指上的指尖力。 ⑵在簡化人手模型的基

3、礎上，對手指和數據手套進行了運動學分析和靜力學分析，推導出了手指關節(jié)與外骨架連桿機構的運動學關系，得到了作用在手指上的指尖力，為數據手套的結構設計、角度測量和力反饋控制提供了理論依據。根據運動學分析和靜力學分析的結果，研究了雙向力反饋數據手套在虛擬現實領域和手指康復中的工作原理，為力反饋數據手套的應用奠定了理論基礎。 ⑶介紹了角度傳感器的測量原理、校準方法、角度測量基準點的確定和角度換算關系。介紹了力矩傳感器的原理及標定方法。在

4、滿足人手佩戴要求的基礎上，分析了連桿結構參數對角度測量和指尖力的影響，為結構參數的選擇提供了依據。 ⑷搭建了力反饋數據手套的實驗系統，采用Labview編寫了控制程序，對數據手套的角度信號和力矩信號進行采集。對自制的氣動肌肉進行了基本特性測試，完成了角度測量實驗，對力反饋數據手套進行了開環(huán)靜、動態(tài)特性測試。在前面實驗的基礎上，采用PID控制策略完成了指尖力反饋閉環(huán)實驗。實驗表明，設計的雙向力反饋數據手套可以測量手指關節(jié)彎曲角度，