基于有/无源混合执行器的力觉交互装置

针对虚拟现实系统中由有源或无源执行器单独驱动的力觉交互装置存在体积大、安全稳定性差和无法主动给操作者施加力等问题,提出了一种由有/无源混合执行器共同驱动的力觉交互装置.在分析无源流变电机结构、实现原理和性能的基础上,研究了基于无源流变电机/有源电机力觉交互装置的设计方法,其结构特点是输出力在有源电机和无源流变电机的共同驱动下产生.提出了基于混合执行器的力觉交互装置控制方法,构建了力觉交互平台并进行了实验研究.实验结果表明,基于有/无源混合执行器的力觉交互装置,不仅克服了基于有源或无源执行器力觉交互装置的缺点,还具有高保真性和输出力可控制范围大等优点.     

基于多代理系统的远程实验室研究与开发*

在分析远程实验室研究现状的基础上,详细分析了远程实验室在远程实验、实验室管理和维护、网络和设备安全等方面的功能需求,提出了一个基于多代理机制的远程实验室体系结构(ARLMAS),简要介绍了一个采用ARLMAS的远程过程控制实验室的实例。实验测试结果表明远程过程实验室满足远程过程实验的需要,ARLMAS具有很好的适应性和扩展性。     

腹腔镜手术中软组织按压仿真

精确可靠的软组织变形模型对虚拟手术至关重要,针对现有模型的不足,提出了一种等节距圆锥形螺旋弹簧模型,模拟对腹腔镜手术中软组织的按压。该模型吸收了弹簧-质点模型计算快速的优点,通过变形截止层控制变形范围,提升模型的稳定性和精确度。为验证模型各方面性能,首先分别与有限元模型和真实软组织对比变形效果,然后记录力反馈输出与变形响应时间并与弹簧-质点模型比较,最后邀请受试者评分。实验结果表明,模型变形精度高,变形与力反馈输出响应时间均在20ms以下,且普遍低于弹簧-质点模型响应时间。在评分实验中本模型所模拟的3种软组织各指标均分分别为9.2、9.0和9.0,普遍高于其他模型均分。     

基于多代理系统的侦察机器人监控系统研制

针对半自主侦察机器人监控系统应该具有分布的智能、局部的自主能力和开放的系统构架的要求，建立了基于多代理机制的监控系统。系统主要分成感知代理、车体驱动代理、事务执行代理、操作员接口代理、数据管理代理等部分，这些代理又可以是由若干个代理协同工作的组合代理，代理之间采用控制驱动的协调方法。然后，分别介绍了感知代理、事务执行代理、人一机器人接口代理中主要代理的功能和实现方法。实验测试表明，系统满足侦察机器人的监控要求，具有很好的灵活性和扩展性。     

力-位置型力觉临场感机器人变增益控制及其稳定性研究

对于力觉临场感机器人系统,在保证系统稳定性的基础上,提高操作透明性是其完成精细任务的关键。本文通过对力-位置型力觉临场感遥操作场机器人系统控制结构的分析,提出了一种变增益力-位置型控制结构,通过改变从端的位置控制增益,提高了遥操作系统的可操作性。同时通过建立系统的动力学方程,利用李亚普诺夫函数分析了系统在约束运动下的稳定性。实验结果表明,这种控制结构在保证系统稳定的基础上实现了良好的控制透明性。     

基于阻抗辨识和混杂控制的机器人辅助抗阻训练方法

现有机器人辅助抗阻训练方法大多是运用易受噪声干扰的患肢主动作用力或表面肌电信号直接进行治疗控制器设计,且在设计过程中未能同时将机器人连续变量运动控制与医师离散事件决策控制这种混杂特性融于统一框架内,具有一定的局限。针对上述问题,提出一种基于阻抗辨识和混杂控制的机器人辅助抗阻训练方法,该方法首先根据患肢主动作用力和实际运动位置在线辨识患肢时变生物阻抗;其次,运用混杂控制理论建立机器人辅助抗阻过程系统模型,根据患肢生物阻抗变化分别定义连续系统区域切换离散事件及离散系统控制状态,并基于混杂自动机设计离散事件决策控制器;最后,选用美国Barrett公司WAMTM柔顺机械臂构建康复试验系统,对所设计控制器进行有效性验证。试验结果验证了阻抗辨识和混杂控制理论应用于机器人辅助抗阻训练过程的有效性和实用性。     

基于虚拟现实的机器人遥操作关键技术研究

机器人遥操作是实现空间、医疗及深海等领域作业的重要手段,基于虚拟现实的机器人遥操作是克服时延的有效方法,具有透明性强、稳定性高的优点,成为当前机器人遥操作的主要方式。首先分析了基于虚拟现实的机器人遥操作系统的关键组成部分,并对其关键模块的具体作用进行了介绍;其次,归纳分析了各类虚拟现实环境建模方法,主要从几何建模和动力学建模方面展开,阐述了每种方法的应用领域、主要特点;此外,进一步分析了遥操作虚拟夹具设计的构建方法及适用领域。最后对当前存在的难点进行总结,指出今后研究的思路。     

用于触摸屏图像感知的指端力触觉再现系统

当用户与触摸屏交互时,有效和实时的力触觉交互技术对于增强现实感和沉浸感是非常重要的。设计了一种面向触摸屏图像信息感知的手指外骨架可穿戴式力触觉交互装置,利用平面四连杆机构作为外骨架传动机构,结合直流电机作为执行机构可为用户手部提供连续可控的力觉反馈,通过振动电机和压电陶瓷致动器提供两种类型的振动触觉反馈。该装置体积小、重量轻,功耗小,使用蓝牙通信,可扩展性强,方便使用及携带。为了表达图像中虚拟物体的空间力触觉信息,引入了实时的力触觉建模算法。当用户穿戴该装置在图像上滑动时,图像的一些特征信息将通过蓝牙与装置通信,包括每个像素点的形状高度和图像的边缘轮廓信息,能够使用户获得丰富的力触觉感受。最后,进行力触觉交互实验来评估该装置在表达触摸屏中图像的高度、轮廓和纹理等方面的性能。     

一种可穿戴指间角度测量系统设计

针对人机交互的需求提出了一种可穿戴的指间角度测量系统。 首先,基于弹簧片和应变片设计了可穿戴的指间角度传 感器及其便携式测量电路,对指间角度的测量原理和传感器的测量电路进行了详细分析。 其次,基于 LabVIEW 开发了测量系 统的上位机软件,对指间角度传感器的数据进行滤波和角度解算,并采用图片分割旋转的方法实现了指间角度的可视化动态显 示。 最后,为验证系统的有效性进行了实验,结果表明,在 0 ~ 30° 测量范围内,设计的指间角度传感器的非线性误差为 2. 38%FS,迟滞误差为 1. 94%FS,重复性误差为 5. 29%FS,总精度为 6. 11%FS。     

时延遥操作的主端命令预测波控制

在传统的波控制器的基础上,用线性两点预测与五点二次预测凸联合的方法对主端的命令与反馈力进行在线预测。仿真结果表明,只要对时延的辨识足够精确,该方法能够在保证系统稳定的前提下一定程度上提高系统的操作性能。