遥操作机器人手控器的研究进展

手控器是遥操作机器人的人机接口的关键设备之一,力/触觉反馈对遥操作机器人系统具有重要的意义,如何实现有效的力觉和触觉反馈是机器人手控器研制中的核心问题.本文对手控器结构进行分类,并对力/触觉反馈形式作一概括.     

力触觉反馈装置发展概述

力触觉反馈技术起源于主从机器人领域,能够给操作者带来真实沉浸的体验,提高操作效率。近年来,随着遥操作、虚拟现实等技术的发展,力触觉反馈装置得到了研究人员的高度关注。首先,简要总结了力触觉反馈技术的发展状况;然后,对现有力触觉反馈装置进行了分类,介绍了近年来力触觉反馈装置的研究情况;最后,针对现有研究,分析和阐述了力触觉反馈装置的发展趋势,并指出了目前存在的问题,对力触觉反馈装置未来所面临的机遇与挑战提出了一些见解。     

机器人触觉临场感电触觉反馈技术研究

本文对机器人触觉临场感电触觉反馈技术进行了实验性研究。设计出了电触觉反馈装置和触觉反馈手套,结合我们已经研制出的指形触觉传感器和数据手套构成了遥操作机器人触觉临场感系统。联机实验结果表明,该触觉反馈装置能够给操作者提供有效的触觉反馈。     

用于实时柔性触觉再现的平行菱形链连接模型

精度高且实时性好的柔性触觉变形模型是实现触觉再现系统的关键。提出了一种新的基于物理意义的平行菱形链连接触觉变形模型,系统中各个链结构单元相对位移的叠加对外等效为物体表面的变形,与之相连的弹簧弹性力的合力等效为物体表面的接触力。使用Delta 6-DOF手控器,建立了触觉再现实验系统,对柔性体的接触变形和实时虚拟触觉反馈进行仿真, 实验结果表明所提出的模型不仅计算简单,而且能够保证触觉接触力和形变计算具有较高精度,满足虚拟现实系统对精细作业和实时性的要求。     

彩色图像的纹理力/触觉渲染方法

针对图像纹理力/触觉再现技术中用灰度变化表征纹理所导致的彩色图像在灰度变换后丢失纹理信息的缺点,用颜色变化表征纹理,提出彩色图像的纹理力/触觉渲染方法.该方法中,切向力的计算基于像素力场算法,法向力的计算基于惩罚算法,根据颜色和空间感的心理学效应提出由亮度和色调决定约束空间,合力通过手控器反馈给操作者.实验结果表明,文中方法能够有效地对彩色图像纹理进行力/触觉渲染.     

一种虚拟环境温度触觉再现仿真系统设计

分析了温度触觉感知特性,提出了手指和物体接触时各自表面的温度变化过程,结合单热源温度触觉再现装置设计了一种基于三维力反馈手控器的虚拟环境温度触觉再现仿真系统。手控器可控制虚拟手的动作,对虚拟物体进行温度和力的感知。仿真系统中能再现手指与不同热属性物体接触时的温度变化和力变化,且视觉效果逼真,体现了温度触觉再现的实时性和有效性。     

一种七自由度力反馈手控器测控系统设计

多自由度力反馈手控器是遥操作的重要人机接口设备,提出了一种七自由度力反馈手控器测控系统的设计方案,实现对手控器末端位置的测量和向手控器输出反馈力/力矩.详细介绍了该手控器的位置检测原理、力反馈控制原理和控制器的软硬件设计.在完成系统调试后对手控器系统进行了测试,测试结果表明:设计的手控器系统测量精度达到±0.5 mm,三维平动力反馈控制精度达到5％ FS,满足多自由度力反馈遥操作的需求.     

一种三维力反馈手控器

结合力触觉感知的需要,设计了一种具有三维力反馈的手控器.介绍了三维力反馈手控器的工作原理及其控制电路的设计,该手控器通过电机驱动器控制手控器的三维输出,通过电机编码器获取人手运动所产生的运动三维编码信息,采用C8051F340的USB接口以方便上下行控制数据的通信,采用上、下行FIFO输入输出缓冲器以降低对控制器的实时性要求.最后设计了虚拟环境有限空间弹性球运动实验进行功能验证,并对所设计的手控器样机进行了性能测试.结果表明,所设计的手控器控制电路满足了手控器力反馈控制的需要,性能良好.     

遥控机器人触觉显示器

操作遥控机器人时，希望将远方的触觉传感器的信息以触觉方式重现给操作者．这就需要触觉显示部件．本文介绍了触觉显示部件的原理，发展和分类，描述了人类的触觉生理机制，并对触觉显示部件在遥控机器人中的应用及发展前景作出评价     

用于软组织变形仿真的层状菱形链连接模型

为提高软组织变形仿真的精度与实时性,提出一种新颖的、基于物理意义的层状菱形链连接模型.该模型中每层各个链结构单元相对位移的叠加对外等效为物体表面的变形,与之相连的弹簧弹性力的合力等效为物体表面接触力.利用6-DOFDelta手控器构建了力触觉交互实验系统,使用虚拟软组织模型进行按压、拉拽等交互操作,并通过反馈力产生触觉感.实验结果表明,该模型不仅计算简单,而且能够保证触觉接触力和变形计算具有较高精度;同时在交互过程中,力触觉感觉平稳、模拟效果逼真、满足虚拟现实系统对精细作业和实时性的要求.     

一种新型手臂力触觉反馈装置的设计与实现

力触觉是重要的非视觉信息来源之一，通过触觉向人类传递丰富的信息被广泛应用于各个领域。为解决基于振动的力触觉反馈中所存在的振动器与皮肤之间接触力不可调和重复穿戴时接触力不一致而影响振动感知的问题，提出了一种利用气囊来调节振动器与皮肤之间的接触力的方法，并以此设计了一种新型手臂力触觉反馈装置。为验证装置的有效性，设计了不同的振动强度识别实验。实验结果表明，对于参与实验的受试者，振动器与皮肤之间的接触力对振动强度的识别的影响是显著的，在气囊内外气压差为15 mbar时，振动强度的识别率最高，为76.67%。     

悬浮空间中的触觉反馈在多对象选择任务中的作用

在触控交互中,缺少触觉反馈会造成用户操作水平的降低和用户体验的下降.前人研究对在触控交互中增加触觉反馈这一方法进行了探索.然而,由于现有触摸屏技术仅能在用户点击屏幕后检测用户手指的位置,触觉反馈也只能在用户点击屏幕之后发挥作用.新的传感技术可以在触摸屏上方的悬浮空间(hover space)内提前检测到手指的位置.利用多对象选择任务(multi-target pointing task)比较了在悬浮空间中增加4种反馈方式对用户操作水平和用户体验的影响.实验结果显示,增加的点击振动反馈受到了用户的普遍青睐.然而,增加的触觉反馈对于用户的操作效率和正确率却没有影响.根据这些结果和前人的研究,提出了在悬浮空间中增加触觉反馈的设计建议.     

一种基于图像处理的纹理力触觉建模和表达方法研究

纹理的力触觉表达不仅能增强虚拟环境的真实感,还能用于盲人的对环境感知和信息获取。提出了一种新颖的纹理的力触觉建模和表达方法。它是基于图像处理的方法提取纹理表面的几何轮廓,根据物体表面粗糙特性,分别建立法向和切向的接触力模型,通过6自由度DELTA手控器实时作用于操作者,让操作者感受到触摸虚拟物体表面的作用力,从而实现纹理的力触觉表达。进行了实验并证明了方法的有效性。     

单片机在机器人手控器状态实时检测中的应用

介绍了以单片机为核心的机器人手控器状态实时检测系统，详细讨论了手控器状态检测的基本原理，给出了算法及程序流程图。     

一种混联式力反馈手控器设计及运动学仿真

遥操作机器人力反馈手控器是遥操作系统中非常关键的部分。使用少自由度并联机构设计的混联式手控器具有串联机构和并联机构两者的优点,是手控器设计的热点方向。研制满足位置控制的大位移力反馈手控器时,平衡工作空间和机构刚度指标非常重要。基于Delta机构研制了6自由度混联式手控器,并在solidworks软件平台上对手控器机构进行了仿真实现。分析了手控器的运动学性能,在matlab环境中运行手控器工作空间的仿真算法,结果显示设计的手控器适合进行大位移力反馈的控制。     

基于RTX的力/触觉再现系统实时性实现方法研究

针对虚拟环境力/触觉再现系统中作用力计算的实时性要求,研究了Windows操作系统下循环控制的实现方法:时间查询法、多媒体定时器法和基于实时扩展RTX(real-time extension)的方法.利用Delta 6-DOF力/触觉手控器建立了一个基于PC的力/触觉再现原型系统,分别在系统空载、并存网络通信、并存音频播放和并存视频播放4种系统负载状态下对3种实现方法进行了实验.实验结果表明,基于RTX的方法能够获得较理想的实时循环控制性能,适用于力/触觉再现等需要较高实时性计算循环的应用系统.     

一种基于运动状态反馈的机器人接触力控制

针对机器人从自由空间运动控制过渡到约束空间力控制的过程中，存在冲撞振荡，甚至不稳定等问题，提出了利用加速度反馈为力控制提供阻尼，克服单纯依赖速度反馈的局限，进而稳定力控制系统的方法。这种方法不增加系统的复杂性，易于实现。     

基于虚拟仿真的并联构型手控器动力学建模与力反馈控制

为了对结构复杂的并联构型手控器进行力反馈操作,提出一种基于虚拟仿真的动力学建模与控制方法.首先分析Maryland构型的手控器并建立其数学模型,同时在Sim Mechanics仿真环境下建立其物理仿真模型,其中仿真模型能够根据实验环境与标定参数直接进行修正补偿.通过对比两种模型的驱动结果,证实修正后的仿真模型精度更高,可应用于动力学控制.最后按控制需求,在仿真模型基础上设计碰撞模块,搭建出半实物仿真系统,完成了根据碰撞信号在操作过程中生成水平反馈力的实验.其中手控器的受力情况与系统的仿真结果一致,证实了控制方法的可行性和准确性.     

带有振动触觉反馈的上肢康复系统

康复机器人在脑卒中患者的术后恢复治疗中起着重要作用。为了提高患者在康复训练过程中的主动性和专注度,提出了一种带有振动反馈的上肢康复训练系统。该系统利用多传感器获取人的上肢位姿信息,实现与虚拟场景的实时交互,并通过实时多层级振动反馈引导人的康复动作。通过心理物理学实验评估受试者对不同振动强度的感受,得出了人体感受区分明显的3个振动强度等级。构建了视触觉有效性实验,受试者需要在虚拟场景中完成特定的康复动作,实验结果表明,相较于无触觉反馈,受试者在振动触觉反馈的作用下可以更稳定高效地完成康复任务。     

Atmel推出带有集成式触觉反馈效应的电容式触摸控制器

爱特梅尔公司（Atmel Corporation）宣布，在其QTouch电容式触摸控制器中集成触觉反馈（haptics）功能以支持按钮、滑条和拨轮（BSW）功能。这项集成可让客户在使用Atmel QTouch电容式触摸控制器时获得加入更丰富的触摸和触觉反馈体验，