面向任务的力觉交互设备设计

力觉交互是提高手术仿真培训系统逼真度的有效途径之一,如何设计出满足系统性能要求的力觉交互设备对手术仿真系统的开发至关重要。从设计案例出发,讨论了面向任务的力觉交互设备设计方法。先分析牙科手术模拟器对力觉交互设备的性能需求,发现现有商用力觉交互设备不能满足牙科手术仿真对高刚度和大转动工作空间的要求,因而提出一种新型6自由度力觉交互设备的机构方案,采用并联3-RRC机构与串联3R机构的组合,达到了兼顾高刚度和大转动工作空间的目的。物理样机试验表明该设备的工作空间、最大输出力和虚拟刚度等指标均达到设计要求。     

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.     

人机交互中的力/触觉设备进展综述

在虚拟现实和遥操作系统中,力/触觉接口是非常重要的人机交互设备.目前的力觉装置有外骨骼和固定设备、数据手套和穿戴设备、点交互设备和专用设备等,这些力觉装置中采用气动、液压、电机或磁场等驱动的主动式力反馈居多,也有基于液体智能材料的被动式力觉反馈.触觉的实现方法主要有由电磁(螺线管、发声线圈)驱动的机械振动,压电晶体、形状记忆合金驱动的探针阵列,气动系统,热力泵(塞贝克效应)系统等.     

6-DOF双并联力觉交互系统设计及实验验证

研制了一种新型双并联力觉接口,采用改进Delta并联机构与3-RRR球面并联机构具有运动学解耦特性,使该构型在保证运动空间的同时消除了运动奇异点.建立了力觉接口的控制系统,提出了带有速度前馈的PI自适应稳定交互算法,实现了对于理想力信号的快速跟踪及扰动抑制.通过跟踪长方体表面及虚拟销孔装配作业实验,验证了新型力觉接口及其力觉交互系统的性能.     

一种飞机模拟驾驶力反馈设备的设计与实现

飞机模拟驾驶杆是飞行模拟器的重要组成部分,是向飞行员提供操纵力的人感系统。设计了一种新的阻抗型力觉交互设备,仿真飞机驾驶杆的操纵力,提出了弹簧-电动机的力控制方案。设备通过弹簧的变形为操作者提供反馈力,通过电动机做位置伺服控制弹簧的变形量改变设备的刚度,从而调整操纵力的大小。以一自由度的样机为平台建立了人机交互系统,进行了力觉交互实验,验证了力控制方案和传动方案的可行性。     

一种基于材料切除方法的力反馈仿真模型研究

针对目前虚拟油泥造型技术缺少力觉造型控制的问题,提出一种新的基于材料刮削率的力反馈仿真模型.该模型中虚拟反馈力与材料刮削率成正比,计算机虚拟造型时,根据材料属性和单位时间内材料的实时刮削量来计算虚拟刮削力.在基于压缩体素模型的虚拟油泥造型原型系统中,利用Phantom Desktop力觉交互设备,成功地实现了具有力觉反馈的虚拟油泥造型.仿真实验结果证明,该模型可以满足虚拟油泥造型方法的要求,能够有效地增强造型过程的真实感,且稳定、高效.     

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。     

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。     

基于嵌入式硬件的力觉接口设备隐式力控制系统

设计了一套以嵌入式微处理器LCP2294和专用运动控制芯片为核心的,力觉接口设备隐式力控制系统硬件平台,实现了扩展的嵌人式实时操作系统μC/OS-Ⅱ在该硬件平台上的移植,建立了面向力觉接口设备应用的多优先级多任务协调调度机制.最后通过时基正弦力轨迹的跟踪实验验证,与传统的基于PC的控制系统相比本控制系统具有更好的实时性,力觉交互的透明性也得到有效提升.     

虚拟环境下力觉交互的实现

对实现人与虚拟环境之间的力觉交互进行了初步尝试。在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的基础上 ,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 ,并通过一简单的力觉交互装置———力感鼠标进行了人与虚拟环境之间力觉交互的验证实验