带有双手力觉反馈的人机交互系统设计

力觉反馈可以在人机交互的过程中营造出沉浸感,而双手可以实现比单手更为复杂、精细的操作。因此,设计了一种带有双手力觉反馈的人机交互系统。该系统使用两个多自由度力觉反馈装置捕捉、跟踪操作人员手部位置并提供力反馈。系统实验结果表明,该系统可在500 mm×500 mm×420 mm工作空间内精确跟踪双手位置,跟踪误差小于0.8 mm,并可提供高达20 N的反馈力和0.4 N·m的反馈力矩。通过应用实例验证了系统的有效性。实例任务结果表明,带有双手力觉反馈的任务完成时间大大短于单手力觉反馈和无力觉反馈的任务完成时间。

交互式自行车模拟器中的力觉反馈研究

力觉反馈系统是交互式自行车模拟器的重要组成部分,它主要模拟真实环境骑车过程中手把及脚踏板对骑车者产生的力反馈,使骑车者通过模拟器体验到真实骑车环境中的力觉。从骑车过程中骑车者的受力分析入手,设计了一套适合于交互式模拟器的力反馈软硬件,并着重分析了将虚拟环境中的自行车与模拟器力反馈硬件系统之间的反馈力准确映射方法。

基于神经网络的遥操作工程机器人力觉反馈技术

提出基于神经网络模型的摇操作主从式工程机器人的力觉反馈技术原理。首先根据机器人从动手机构的空载动力学特性,离线建立了空载神经网络模型,然后依此模型在线辨识空载驱动力以间接提取负载力。该方法可提高力觉反馈的准确性和同步精度,实验结果验证了其有效性。

基于力觉反馈的电液伺服系统设计

借鉴电机驱动主从随动控制系统的研究方法,并根据液压系统的特殊性,对电液伺服遥操作主从机械人的力觉临场感进行分析。综合对称型双向伺服控制系统和力直接反馈型双向伺服控制系统的优点,以从端受力形成力反馈控制量的增益,位置误差和位置误差的变化率形成力反馈控制量,提出改进的对称型控制算法,即力-位置综合型双向伺服控制算法。实验结果验证了该方法的有效性和实用性。

磁流变液的力觉反馈系统研究

提出一种基于磁流变液的力觉感知驱动装置,该装置具有内、外两个线圈,并且绕向相反,其中内部线圈缠绕在活塞外部,外部线圈则缠绕在缸体外部,通过内、外线圈磁场力的相互作用使其具有复位功能。根据磁流变液的特性及磁流变效应,结合线圈参数、结构参数和磁路设计等原则,给出了主动式磁流变阻尼器的结构设计模型,并建立了Bingham模型和修正的Bouc-wen模型的Simulink软件仿真,仿真结果验证了该装置结构设计的合理性,为其在力觉反馈系统中的应用提供了依据。

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。

基于物理的虚拟手抓持力觉生成和反馈

提出了一种基于物理的虚拟手静力抓持虚拟物体力觉生成和反馈方法.借鉴机械手抓持原理,在建立基于物理的虚拟手静力抓持通用力学模型并对其进行可解性分析的基础上,针对通用力学模型的多解性,提出了虚拟手最小力螺旋模型以生成力觉,并根据抓持物体的不同,进行模型实例化,实时求得各虚拟手指上的力和(或)力矩.实验结果表明,借助于本文的力觉生成和反馈方法,利用CyberGrasp力觉反馈数据手套,用户可在抓持虚拟物体时感受到真实的接触力.

具有力觉与视觉反馈的交互式纳米操作系统

提出了交互式纳米操作的实现方法,搭建了一个具有力觉与视觉反馈的交互式纳米操作系统.操作者通过该系统不仅可以实时感受到作用在原子力显微镜(AFM)探针上的力,而且可以实时观察到纳米环境在AFM操作下的变化过程,使得对微观世界的纳米操作如同在宏观世界搬运物体一样直观、灵活.实验结果证实了本系统的高效性及先进性.

一种具有力觉反馈的遥微操作系统分析

提出了一种主从式力反馈的遥微操作系统,目的在于实现微操作过程中的接触力反馈;对遥微操作系统进行了设计,搭建了包括操作主手,测控系统和微操作从手的试验平台。利用微夹持器和探针作为微操作从手的末端执行机构分别对金属轴和花粉颗粒进行微操作试验,实现了遥微操作中的力觉反馈。通过试验数据的测试和分析,获得操作试验中从手相对于手控器的时滞,为进一步完善力反馈遥微操作系统提供了依据。

基于单点力反馈的机械产品虚拟装配阻力建模

结合实际装配中的物理约束以及虚拟装配的特点,分别在间隙配合、过盈配合及过渡配合条件下,讨论了装配过程中的偏移阻力和进行阻力,建立了基于单点力反馈的机械产品虚拟装配阻力模型;最终通过虚拟装配实例和评价实验证明,基于单点力反馈的机械产品虚拟装配阻力模型能够增强用户在虚拟环境下的沉浸感,并且能够有效地辅助用户根据力觉反馈感知不同的机械配合类型.

空间机械臂遥操作力觉操控手柄的设计与分析

为了解决空间机械臂在执行任务时,空间机械臂一但产生较大的碰撞力,就会使机械臂甚至是航天器发生损坏,普通操控器单一的基于位置反馈,并不能为操作者提供力觉反馈从而不能保证对机械臂操控的安全性的问题。设计具有力觉反馈的临场感操控手柄,通过空间机械臂末端力传感器提供末端力觉信息,控制驱动电机使该力觉操控手柄能够提供六个自由度的接触力反馈给操作者,极大提高操作者操作精度和安全性,在操作过程中该设计为操作者提供空间机械臂末端的真实触感,从而使操作者的操控具有临场感,能够更安全、精准的完成操控任务。在结构上为了能够实现六自由度完备力觉反馈,提出使用三自由度并联机械手,混合一个三自由度的串连机械手组合结构形式,用以实现机械臂末端六自由度力觉反馈。结果表明,所设计的力觉操控手柄具有机械位姿分离的特性,该力觉操作手柄能够在ϕ120 mm×120 mm空间内跟随空间机械臂末端曲线运动,并提供X,Y,Z三个方向的3 N力反馈触觉,以及相应方向上0.2 N·m的扭转力矩。

仿生机器蟹足力觉检测系统

针对二十四自由度仿生机器蟹研制过程中面临的复杂障碍环境行走的问题,给出应变梁结构的蟹足力觉检测与反馈系统,该传感器采用了梁式应变计,与蟹腿集成为一体,将应变力变换为电信号,经放大器、A/D转换器等信号处理后送入FPGA实时解耦、计算,将X,Y,Z轴的力觉信号通过485总线传到上位机,上位机中建立了机器蟹足与障碍物接触的力觉模型,使机器蟹能够判断障碍物的概况。实验结果表明:该系统测量精度达到了4.5%,响应时间为50μs,能够有效地感知障碍物情况。

悬丝摆式加速度计底座组件自动装配与焊接控制

悬丝摆式加速度计具有小型化、大量程和抗冲击的特点,在航空航天领域得到广泛的应用。其底座与摆组件的精密装配,目前仍以人工装配为主,具有装配精度差、悬丝张紧力不易控制,人工焊接时焊接参数难以保证、焊点质量不佳等问题,导致产品的良品率较低。为此,研发了一套悬丝摆式加速度计底座组件自动装配与焊接设备。根据零件特点与装配环境,采用视觉与力觉反馈控制,实现底座与摆组件位姿和悬丝张紧力的自动调整。基于C++语言,开发了分层架构的控制软件。设计温度反馈控制的焊接工艺流程与焊接策略,并通过有限元仿真与焊接实验进行验证。实验结果表明:该设备可实现自动装配与焊接功能,底座组件的装配精度与焊接质量符合技术指标要求,提高了产品质量。

高临场感和自然交互性的分子可视化教学系统

介绍一个面向分子可视化教学的虚拟现实系统。系统基于多投影无缝拼接技术提供了具有高度临场感的虚拟环境,使学生沉浸在虚拟的分子、原子模型结构中学习生化分子的有关知识。学习者不仅可以带上立体眼镜,观察到高度真实的三维立体分子结构,而且可使用 6 自由度触觉/力觉反馈设备对分子模型进行自然直观的交互操作,获得操作真实物体的效果。文章主要介绍系统硬件构成、多投影无缝拼接、触觉交互技术、分子可视化以及分布式绘制等方面的内容。

遥控焊接机器人工具转换接口的对接试验

针对极限环境下的设备维修任务,遥控焊接机器人不仅需要完成焊接操作,还需要完成焊前准备和焊后处理.通过工具转换接口可以使遥控焊接机器人连接各种作业工具,提高了其通用性,但是增加了操作复杂性.因此,验证遥控焊接机器人工具转换接口对接操作的可行性是保障其实际应用的重点.利用视频反馈、力觉反馈、操纵杆和人机交互界面等组成遥操作试验环境.根据反馈信息,通过手动遥操作,利用遥示教的方式完成了遥控焊接机器人工具转换接口的对接试验,分别记录遥操作时间和对接过程中力和力矩的变化.结果表明,工具转换接口可以完成遥控焊接机器人的对接任务.

一种虚拟现实系统接触交互接口

研究基于人手的人机接触交互接口，介绍一种新型的“力觉反馈数据手套"。该“力觉反馈数据手套”同时具有数据手套和手指力觉反馈功能，不但可以使用户以比较自然的方式实现对虚拟环境的操作，而且用户可以从中得到与操作过程中接触信息保持一致的力觉反馈信息。因此它是一种理想的人机接触交互接口。

记忆推理的放射源抓取机器人运动规划

针对机器人抓取铅罐内部放射源时,因铅罐的半封闭和强辐射环境导致机器视觉难以应用于放射源抓取的问题,提出一种记忆推理的强化学习抓取方法.基于机器视觉构建智能机器人抓取系统运动学模型,采用力觉反馈实现智能机器人与铅罐内部环境的交互,通过对历史抓取数据的记忆推理决策,实现对放射源的自主抓取.在机器人操作系统中使用Gazebo仿真器,分别采用蒙特卡罗采样法和基于记忆推理的强化学习抓取方法进行仿真.结果表明,基于记忆推理的强化学习抓取方法的平均抓取效率比蒙特卡罗采样法高84.67%,能高效地解决铅罐内部放射源的自主抓取问题.

面向机械臂遥操作的虚拟人机交互系统设计

为提高空间站机械臂遥操作系统的精度和安全性,设计了一种基于混联式七自由度力反馈设备的虚拟人机交互系统。系统由力反馈设备、控制系统及虚拟场景构成,实现了三维平动自由度和三维转动自由度的机械解耦,并通过标定修正了存在误差的机械参数,可以对末端输出反馈力稳定控制。性能试验表明:系统可以在250 mm×250 mm×250 mm的空间内精确跟踪操作人员手部位置,位置精度达到0.6 mm;可提供最大15 N的力觉反馈;在虚拟夹物体试验中,有力反馈的人机交互系统比无力反馈系统的完成时间缩短了23%,损坏率降低了50%,提高了操作精度和夹取过程的安全性。

力感知系统的研究综述

文章介绍了力觉感知系统的结构原理,对力觉感知系统的驱动结构、新型材料磁流变液以及当前力觉反馈设备进行了综述,提出了一种新型的基于磁流变液装置的力觉感知系统结构。该新型结构型式相对简单,几乎无磨损,器件寿命长、所用材料来源丰富、价格低廉,有良好的工程应用前景。