基于氣動肌肉的雙向力反饋數(shù)據(jù)手套的研究.pdf

1、虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中，力覺模擬和再現(xiàn)是增強系統(tǒng)真實感，營造沉浸效果的基本手段之一，與之相關(guān)的研究日益受到重視，并成為一個新的研究領(lǐng)域。目前，力覺再現(xiàn)的形式各種各樣，其中應(yīng)用比較廣泛的為力反饋數(shù)據(jù)手套。本文提出并設(shè)計了一種基于氣動肌肉的外骨架式雙向力反饋數(shù)據(jù)手套，只對指尖施加單點作用力，無需對每個手指關(guān)節(jié)施加力。使得整體結(jié)構(gòu)簡單，重量輕，與手指的固定更牢固，便于控制。該數(shù)據(jù)手套能夠提供雙向力作用，可以驅(qū)動手指彎曲/伸展雙向運動，使其不僅能夠應(yīng)用

2、于虛擬裝配、遙操作等虛擬現(xiàn)實領(lǐng)域，而且能夠應(yīng)用于手指的醫(yī)學(xué)康復(fù)中。本研究主要內(nèi)容如下： ⑴介紹了數(shù)據(jù)手套的整體結(jié)構(gòu)、驅(qū)動系統(tǒng)、角度測量原理和力反饋原理。驅(qū)動系統(tǒng)采用了一對對抗性氣動肌肉加制動器的方式，既能夠滿足人手的自然運動，又能夠隨時制動進而產(chǎn)生雙向力反饋。采用非接觸式磁阻傳感器，間接測量手指的彎曲角度。設(shè)計了一種基于應(yīng)變測量的力矩傳感器，通過測量數(shù)據(jù)手套的驅(qū)動力矩，間接測量作用在手指上的指尖力。 ⑵在簡化人手模型的基

3、礎(chǔ)上，對手指和數(shù)據(jù)手套進行了運動學(xué)分析和靜力學(xué)分析，推導(dǎo)出了手指關(guān)節(jié)與外骨架連桿機構(gòu)的運動學(xué)關(guān)系，得到了作用在手指上的指尖力，為數(shù)據(jù)手套的結(jié)構(gòu)設(shè)計、角度測量和力反饋控制提供了理論依據(jù)。根據(jù)運動學(xué)分析和靜力學(xué)分析的結(jié)果，研究了雙向力反饋數(shù)據(jù)手套在虛擬現(xiàn)實領(lǐng)域和手指康復(fù)中的工作原理，為力反饋數(shù)據(jù)手套的應(yīng)用奠定了理論基礎(chǔ)。 ⑶介紹了角度傳感器的測量原理、校準(zhǔn)方法、角度測量基準(zhǔn)點的確定和角度換算關(guān)系。介紹了力矩傳感器的原理及標(biāo)定方法。在

4、滿足人手佩戴要求的基礎(chǔ)上，分析了連桿結(jié)構(gòu)參數(shù)對角度測量和指尖力的影響，為結(jié)構(gòu)參數(shù)的選擇提供了依據(jù)。 ⑷搭建了力反饋數(shù)據(jù)手套的實驗系統(tǒng)，采用Labview編寫了控制程序，對數(shù)據(jù)手套的角度信號和力矩信號進行采集。對自制的氣動肌肉進行了基本特性測試，完成了角度測量實驗，對力反饋數(shù)據(jù)手套進行了開環(huán)靜、動態(tài)特性測試。在前面實驗的基礎(chǔ)上，采用PID控制策略完成了指尖力反饋閉環(huán)實驗。實驗表明，設(shè)計的雙向力反饋數(shù)據(jù)手套可以測量手指關(guān)節(jié)彎曲角度，