一种新的基于临场感的力觉显示结构

一种新的基于临场感的力觉显示结构＊宋爱国黄惟一（东南大学仪器科学与工程系南京２１００１８）０引言临场感（ｔｅｌｅｐｒｅｓｅｎｃｅ）是指一方面通过多传感器系统将远地环境的各种信息（视觉的、听觉的、力觉的）反馈到本地操作者周围，生成虚拟的远地环境，另一方...     

一个力反馈主从式操作机械手实验系统的实现

力觉临场感技术是一门遥控机器人作业领域中新兴的前沿技术，开展这方面的研究具有重要的实用价值。本文基于力觉临场感的工作原理，设计并实现了一个具有力反馈的单自由度主从式操作机械手实验系统，实验结果表明该系统初步实现了力觉临场感的设计思想。     

基于机器视觉的双臂协作机器人拧紧装配实验研究

针对发动机连杆装配过程复杂繁琐且操作人员易受伤害的问题,提出一种基于机器视觉和力觉协同引导下的双臂协作机器人拧紧装配策略。在建立双臂协作机器人运动学模型的基础上,协作机器人首先通过左臂进行机器视觉识别及引导,带动右臂在PID算法下进行位姿调整及伺服机构的粗定位;在精定位阶段,运用机器人末端的力觉信息反馈,实现扭矩监控和拧紧螺栓双向协同作业,协力完成拧紧工序的力觉精确调整;通过以上装配策略,实现发动机连杆拧紧全过程管理,提升了装配工艺操作的高效性及安全性。实验结果表明：基于机器视觉和力觉协同引导下的双臂协作机器人装配安装过程全程可控,且装配结果符合生产工艺要求,可在序列化生产中推广应用。     

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.     

具有视觉和力觉反馈的虚拟装配

在虚拟装配中，要使人们对装配对象和装配环境获得全面、逼真、自然的认识，除了视觉信息外，还应提供触觉、力觉等信息。在实现人与虚拟环境之间的视觉和力觉交互方面进行了初步尝试，通过建立虚拟对象的仿真模型和虚拟与现实世界之间的交互模型，利用常见的商用软件构造了虚拟装配环境和虚拟装配对象，研制和开发了二维力觉交互装置——力反馈鼠标，并通过实例进行了人与虚拟环境之间视觉和力觉交互的验证实验。     

大功率LED光学透镜扣帽机飞行视觉系统

针对国内LED封装设备对LED光学透镜的自动安装需求设计了一套基于DSP与高速线阵CCD的高性能低成本的扣帽机飞行视觉系统,详细介绍了视觉系统的硬件结构设计、软件框架设计,处理算法以及它们的实现方式;通过精简硬件结构、合理硬件选型以提高系统的性能,并应用嵌入式实时操作系统提高系统的实时性并实现多任务处理。实验结果证明,系统实现了稳定高速高精度的图像处理,系统的性能、体积和成本完全满足工业需求。     

比例调压阀PWM控制气动力感的再现装置

提出一种气动装置以实现在主从式机器手系统中产生力觉临场感。该装置由机械气动结构与PWM控制器两部分组成。详细介绍了力感再现装置力感形成原理与控制方法,搭建了压力修正实验与应力采集实验。实验结果表明,所设计的PWM控制器精确实现了力感驱动气缸的压力控制。该装置用在主从式机器手系统中,能够良好地实现力觉临场感。     

基于uC/OS-II的CMOS数字图像传感器数据检测系统

为了在视觉检测中实现对数据的实时采集、处理与传输,提出了一种基于uC/OS-II实时操作系统的实时视觉检测方案.系统主要利用CMOS摄像机、高性能CPLD、 ARM7芯片以及以太网接口芯片作为硬件平台.介绍了系统硬件电路和uC/OS-II软件程序的设计方案和工作流程.在实验室环境下进行检测试验,系统工作正常.     

机器人力觉示教的力控制及仿真分析

针对机器人传统示教方式逐渐无法满足复杂工业生产需求的现状,提出了一种基于六维力传感器的机器人力觉示教,并介绍了其系统组成。结合一些经典力控制方法及力觉示教实际,对机器人力觉示教的力控制系统展开研究,提出了基于速度的主动柔顺控制策略,从理论上建立了机器人力觉示教时末端工具受力和力矩的运动控制算法。通过Adams仿真软件,对机器人的力觉示教运动进行了仿真分析,最终结果表明该控制算法能够有效地实现机器人力觉示教控制,使力觉示教更加主动灵活,更好地满足复杂工业生产的工艺要求。     

大功率LED自动灌胶设备嵌入式视觉系统

针对国内LED封装设备对大功率LED自动封胶的需求,为解决人工方法效率低问题,设计了一套基于Blackfin DSP的高性能低成本的嵌入式视觉处理系统,详细介绍了视觉系统的硬件结构设计、软件框架设计,处理算法以及它们的实现方式;通过精简硬件结构、合理硬件选型以提高系统的性能,并应用嵌入式实时操作系统提高系统的实时性并实现多任务处理.试验结果证明:系统实现了稳定高速高精度的图像处理,系统的性能、体积和成本完全满足工业需求.     

可寻址光线屏蔽机制光学透视式增强现实显示系统研究

传统的光学透视式头盔硅示器存在不能正确显示虚拟物体和真实环境之间的遮挡关系和光强度匹配关系的问题，无法实现虚拟物体与真实环境的融合显示。针对传统光学透视式头盔显示器的特点，本文设计了一种新型的光学透视式头盔显示系统，引入可寻址光线屏蔽机制，使用灰度液晶作为可寻址的光学滤光器重新设计光学透视式头盔显示器，同时嵌入智能光调制机制，呵以实现增强现实显示中虚实物体的相互遮挡和光强匹配，同时解决了人眼观察虚拟图像和外界景物时眼睛聚焦不同的问题，实现虚拟物体与真实环境图像的融合显示。     

面向竞技训练的下肢外骨骼多模态交互系统研究

目前关注辅助下肢提升身体素质训练的可穿戴设备研究存在缺失,而外骨骼与虚拟现实的协同研究是近几年的新兴方向,多模态信息融合的外骨骼系统能有效优化训练效果和训练体验。因此,开发了一套面向竞技训练的下肢外骨骼多模态交互系统,不仅提供了丰富多样且标准规范的辅助训练,并且实现了多感官的沉浸体验。首先,设计一种多自由度分步动作规划方法,基于下肢运动动作点实现训练动作的复现。其次,提出下肢外骨骼多模态交互系统,通过虚拟现实竞技训练模拟器实现信息空间中规范动作的呈现与指示,构建动作数据集和下肢外骨骼机器人实现物理空间中基础训练的辅助与矫正。系统基于多模态交互执行策略,实时给予训练者视觉、听觉、触觉的多感官反馈,实现符合安全规范的沉浸体验。最后,通过系统功能与用户体验两项实验进行系统验证。功能性实验证明,与原有传统训练相比,该系统平均可提升动作准确率27.62%,且具有一定通用性。用户体验的实验结果表明,该系统功能符合设计预期,舒适性相对其他指标有待提高。     

一个三自由度力觉接口设备硬件系统的设计

介绍了一个新型三自由度的力觉接口设备系统的设计,并以此为基础,建立了一个能够让操作者获得沉浸感的虚拟现实系统。     

A control strategy for electro-magneto-mechanical system based on virtual system model

A new approach to the control of electro-magneto-mechanical system is proposed in this paper. Conventionally, these systems are controlled based on the Maxwell system model via an on-off or PID control technique, which displays acceptable performance in the low frequency region, but not in the high frequency region where position control performance is greatly degraded. In order to improve the performance, a newly developed virtual 2^nd order system modeling technique, SSID, is adopted for a complex electro-magnetomechanical system in the study. This technique states that any unknown system exposed to a random disturbance with unknown intensity can be identified in terms of a virtual 2^nd order system model via the inverse process of a certain stochastic analysis. As a typical hybrid system, a solenoid valve is used as the target electro-magneto-mechanical system to study the modeling of the virtual 2^nd order system. In order to confirm the performance of the proposed control strategy, autotuning PID controller in PWM mode is utilized. Simulations based on the conventional Maxwell system model with control via the bang-bang, autotuning PID, and the proposed virtual 2^nd order system model approaches are conducted using MATLAB Simulink. Performance of these three systems in the low and high frequency bands is also compared. The simulation results reveal that the control performance of the virtual 2^nd order system model is much improved compared with that of the Maxwell system model under autotuning PID and bang-bang controls in both low and high frequency regions, where the error is drastically reduced to approximately 1/5 of the original value.     

基于虚拟仪器技术的电磁阀综合特性测控系统

传统的电磁阀综合特性测试劳动强度大,效率和测试精度都较低,为了克服这一不足,介绍了一种基于虚拟仪器技术的电磁阀综合特性测控系统。该系统实现了电磁阀综合特性的各项测试和测试过程中的自动控制,大大提高了电磁阀综合特性测试的测试精度和效率。简要说明了电磁阀综合特性试验的内容;介绍了流体试验台架;设计了采用虚拟仪器技术开发的测试系统软件和硬件部分;给出了实现大范围且高精度压力测量的压力分级测量方法;最后提出了测控系统实现精确压力控制的控制策略并通过具体的测试结果给以验证。     

基于虚拟立体视觉的气液两相流三维测量系统的标定

研究了基于虚拟立体视觉的气液两相流三维测量系统的标定技术。首先,基于单台高速摄像机和两组反射镜组构建虚拟立体视觉测量系统,建立高速摄像机透视投影变换模型以及虚拟立体视觉三维测量模型,对虚拟立体视觉系统中摄像机及虚拟立体视觉传感器进行标定。用靶标基准球模拟气泡在水中的分布,以其空间距离作为测量评价指标,比较了不同标定方法对三维重建精度的影响。实验结果表明,将标定参照物置于水箱内,并且分别对左、右虚拟摄像机及传感器进行标定,三维重建精度最高,测量空间距离绝对误差优于0.13 mm,相对误差优于0.49%。实验认为,对基于虚拟立体视觉的气液两相流三维测量系统进行标定时,必须充分考虑折光分光光路以及管壁折射对三维重建所带来的影响。     

离轴回转对称棱镜式头戴显示器目镜的研制

针对大曲率自由曲面棱镜在加工中存在表面粗糙度差的问题,本文采用离轴非球面面型研制了棱镜式虚拟显示目镜.目镜的3个光学表面都采用了回转对称的非球面面型,其加工精度比自由曲面高且加工难度大大降低.通过控制棱镜各表面的曲率、倾斜角度来实现短焦距和大视场并通过优化高次非球面系数校正像差.实验结果显示:研制的目镜其光瞳大小为6 mm,视场大小为55°;在30 lp/mm处,轴上视场的调制传递函数(MTF)值高于0.2,轴外视场的MTF值高于0.1,目镜的最大畸变量为-5.37％.棱镜的检测和试验结果表明:与自由曲面棱镜相比,采用非球面面型能够显著降低棱镜表面的粗糙度,避免图像重影现象,成像更为清晰,虚拟成像的目视效果得到了明显改善.     

面向虚拟雕刻的手势识别研究

研究了基于视觉的静态手势识别技术,选取Hu不变矩作为手势识别的主要特征,采用了模板匹配法进行7种手势的识别,并与现有的虚拟雕刻技术结合,设计一个以手势变换来控制虚拟油泥的系统,满足用户从不同角度观看虚拟油泥的需求,以获得更加真实的感受.实验结果表明,在光照条件良好且背景单一的情况下,该方法具有很高识别率,并且有着很好的实用性.     

The effect of volumetric defectiveness on the spatiotemporal characteristics of an electromagnetic response during acoustoelectric transformations in dielectric specimens

The effect of a local bulk flaw has been preliminary studied using a multisensory control system based on the phenomenon of mechanoelectrical transformations in dielectric structures. A hole with a variable depth served as a bulk flaw. The high efficiency of the multisensory system, which allows reliable recording of small local bulk flaws is demonstrated.     

应用机器视觉技术的齿轮测量方法

应用IMAQVision工具包在LabVIEW虚拟仪器平台上可以快速、灵活地开发齿轮测量的机器视觉系统。采用阈值分析进行图像分割、用形态学方法改进图像质量是齿轮测量的基础。采用图像分析的方法进行齿轮主要几何参数的测量 ,通过实际测试数据分析 ,讨论了机器视觉技术在齿轮测量中的实用价值和发展前景