力觉交互设备的重力补偿实验研究

针对自主研发的力觉交互装置进行了重力补偿的实验研究,提出了重力补偿的实验算法,并验证了算法的有效性.首先利用拉格朗日方程的方法对机构进行重力补偿的原理性计算,得到电机为平衡重力所输出力矩的计算方法;然后以虚拟样机为基础,应用三维实体造型软件SolidWorks和机械动力学分析软件ADAMS建立了力觉交互装置的虚拟样机,通过仿真分析验证了理论推导的正确性;最后通过力觉交互系统实验平台验证了重力补偿算法的有效性.     

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.     

基于工作空间最大化的平面柔索驱动并联机构优化设计

工作空间是并联机构的重要指标,柔索驱动并联机构与杆支撑并联机构相比,其突出的优点是具有较大的工作空间.从平面柔索驱动并联机构出发,探讨柔索与动平台的连接位置对定姿态工作空间大小的影响.建立柔索驱动并联机构静力模型,并对4根柔索驱动的3自由度平面机构的定姿态工作空间进行分析,对此类机构的柔索与动平台的连接位置参数进行建模,通过直接搜索的优化算法对这些位置参数进行优化,得到了最优的结构参数.与常用的平面构型相对比,优化后的机构构型具有更大的定姿态工作空间.     

好产品的用武之地

派克·汉尼汾的产品在工程机械领域有着广泛的应用,从液压元器件到各种辅件,派克·汉尼汾专注于工程机械液压产品的发展。其叶片泵、定、变量柱塞泵、齿轮泵、多路阀、插装阀、管式、板式阀件及附件专为工程机械的使用工况而设计。     

力觉交互系统稳定性研究

在中国国家自然科学基金资助项目《牙科手术模拟力觉交互系统稳定性研究》和《基于双模式力觉交互的灵巧动作技能训练方法研究》,以及中国国家高技术研究发展计划(863计划)项目《面向手眼协调操作的触(力)觉合成和视觉-力觉融合再现技术》的共同支持下,以开发高性能牙科手术模拟训练系统为目标,针对力觉交互设备控制过程中振动或噪声所导致的力觉感受稳定性丧失,围绕探索复杂虚拟环境下的力觉交互系统(HIS)失稳机理,基于力觉交互设备和力觉渲染算法,探索提高力觉交互系统稳定性和逼真度的方法,提出学术报告.通过模拟牙面探查实验,发现用虚拟工具接触牙齿表面时,若接触刚度较大会导致设备振动.通过模拟牙体预备实验,发现用虚拟工具切削牙齿时,大的接触刚度也导致设备振动.大刚度所引发的设备振动,可以通过减小刚度减少或消除,但随之而来的是由于接触力过小,导致系统丧失逼真度.因此,HIS稳定性研究的核心任务是探索在非解析表达复杂虚拟环境下的基于阻抗显示设备的HIS稳定性丧失的物理机理及其稳定合成算法.基于力觉交互系统(HIS)组成结构,假定操作者为系统的被动环节,将HIS稳定性问题分解为力觉交互设备和力觉合成算法等两部分,通过确定各自的验证任务和验证指标,实现问题解耦,方便HIS的设计和调试.在力觉设备稳定性研究方面,讨论了多自由力觉交互设备性能与系统稳定性的关系,建立了HIS控制参量与系统稳定性的关系模型,建立了提高系统稳定性的控制算法.研究发现,通过改变系统的物理参数和控制策略可以有效地提高力觉交互系统的稳定性.采用电流闭环控制策略(CCLC)和多更新率控制策略(MC)等两种方案提高了系统稳定性.CCLC是指在电机回路增加电流传感器,测量电机的实际电流,构成电流反馈;进而计算电机实际输出力矩,得到设备末端的实际输出力.MC是指在不增加上位机更新频率的前提下,在下位机微控制器上实现更高频率的插补运算,包括以更高的频率对设备末端的位置采样,以及对设备末端的输出力进行预估计算.控制器利用当前插补时刻的设备位姿,实时计算虚拟力增量,从而实现在两个连续上位机虚拟力的间隔内的高频率插补.基于自主开发的3自由度(3DOF)力觉交互设备实验平台,开展稳定性测定实验,证明了CCLC和MC的有效性.实验发现交互设备的最大可模拟虚拟刚度不仅与设备末端的位置有关,还与虚拟墙方向——虚拟力方向有关.通过实验测量得到了(3DOF)工作空间内不同点不同方向上可模拟最大刚度的分布.在力觉合成算法稳定性研究方面,基于动态单边约束的概念分析了复杂虚拟环境的力觉交互失稳机理,发现了制约系统稳定性的限制参量——等效接触刚度、动态单边约束的位置坐标变化梯度、动态单边约束的法线向量变化梯度,进而提出基于等效阻抗的稳定性处理算法.针对拥有大量数据的精细模型的力觉交互模拟,提出速度驱动的离散多层级模型力觉合成算法,离线建立物体层次模型,通过用户探查试验确定触发层次切换的速度阈值,并运用表面接触点层级映射改进碰撞检测算法,避免了模型层级切换时力信号的阶跃变化.基于等效阻抗的稳定性处理算法和离散多层级模型力觉合成算法在全口腔大数据量模型探诊中得到了验证.针对两种不同物理属性的组织的交界处交互时力觉交互设备的振动问题,提出适用于模糊边界的灰色区域法,在牙齿横切面的多组织探查和龋坏组织的探查中得到了应用.针对被操作物体拓扑结构的变化的力觉交互任务,采用了体素化建模方法,高效率地实现了材料去除和模型更新,并提出了适合于材料去除操作的虚拟匹配算法(Virtual Coupling Method),保证了拓扑结构变化时力觉模拟的稳定性,在牙体预备手术的牙齿钻削模拟中得到了验证.