導納型力覺接口研制及人機交互穩(wěn)定性研究.pdf

1、視覺、聽覺、觸覺、嗅覺等多感知融合的信息反饋形式將打破傳統(tǒng)人機交互的視覺反饋局限，極大提高了人機交互的靈活度和真實度。力覺接口設備是實現(xiàn)人機力覺交互的輸入輸出設備，已被廣泛應用于虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)和具有力覺臨場感的遙操作系統(tǒng)。力覺接口設備的研制及其力覺交互系統(tǒng)理論研究對于提高人機交互的自然性和高效性具有重要的理論和現(xiàn)實意義。
　　在分析研究現(xiàn)有力覺交互設備后，本文提出并研制了一種新型導納力覺接口設備，其基于摩擦輪進行傳動，具有低慣量、高

2、響應速度等特點。為了防止傳動中打滑及疲勞點蝕等失效狀況的出現(xiàn)，對摩擦輪進行了受力計算和疲勞強度校核，而后進行了主要結構的具體設計以及電機、傳感器等元器件的選型。
　　對于力覺交互設備來說，由于其主動釋放能量的特性，所以其穩(wěn)定性成為研究的主要問題，本文基于二端口網(wǎng)絡對力覺接口設備進行建模，并利用二端口絕對穩(wěn)定的萊威林準則對力覺交互系統(tǒng)進行穩(wěn)定性分析，得到系統(tǒng)穩(wěn)定與各參數(shù)的關系，并且為實現(xiàn)力覺接口的設計脫離虛擬環(huán)境獨立進行，研究了引入

3、了虛擬匹配環(huán)節(jié)的設計方法對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。
　　基于模塊化的思想，建立了力覺接口控制系統(tǒng)的體系結構，并從運動控制單元、采集測量單元、串行通信單元和安全保護單元四個方面對控制系統(tǒng)進行了具體實現(xiàn)，滿足了控制周期短，操作安全等設計需求。
　　最后，建立了人機力覺交互實驗系統(tǒng)，進行了不同比例系數(shù)及是否引入虛擬匹配環(huán)節(jié)不同情況下的虛擬彈簧模擬實驗，通過對實驗結果的分析，驗證了控制算法的有效性和系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性，獲得了比較好的力覺臨場