力觉接口无源性分析及设计

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1、力觉接口的无源性分析及设计摘要力觉同视觉、听觉等其他感觉一样，是人们获得外部信息的重要手段之一，它对虚拟现实技术的发展和应用有着十分重要的作用。近年来，随着计算机技术和机器人技术的不断发展与进步，虚拟现实技术，尤其是力觉交互技术逐渐成为国内外研究的热点，受到了国内外专家和学者的广泛关注和重视。虚拟现实技术是利用计算机生成一个逼真的虚拟环境，通过各种传感设备使操作者“沉浸”到虚拟环境中，实现操作者同虚拟环境的交互，为操作者提供一种身临其境的感觉。力觉交互系统主要包括操作者、力觉接口设备和虚拟环境三部分，其中力觉接口是指操作者和虚拟环境之间的接口，它能够使人感受并操纵虚拟或远程环境。对

2、于和远程环境的遥操作，力觉接口通过通信线路与远程操纵装置相连，使操作者有一种置身于远程环境的感觉；对于和虚拟环境的交互，力觉接口是直接和(由计算机实现的)虚拟环境相连。目前，力觉接口设备的应用领域十分广泛，主要应用范围包括医学训练、微装配、娱乐、教育、工业设计、艺术、交通安全、体育运动、飞行模拟仿真、远程手术和虚拟样机等。论文首先通过深入分析和推导，对前人文献应用频域提升技术得到的力觉系统的无源性条件进行了校验，证明了其推导过程所存在的问题及频域提升技术本身的局限性，并结合具体的例子验证了该方法所得结果的保守性。考虑到对于具体的虚拟环境模型，这个力觉接口的无源性条件还因采样信号和环

3、境模型的离散化方法不同而不同，设计中还分析了不同采样信号输入和不同的虚拟环境离散化方法对力觉系统的影响，基于采样系统的真实频率特性，给出了不同情况下无源性条件，并进行了对比和分析。论文接下来通过一定的近似，又给出了一个简化的无源性条件，给出了一个较大范围的控制器参数无源性设计区域。在系统的综合设计中还考虑了力觉接口系统的性能——透明性要求，将其与无源性及系统的带宽要求、阻尼要求、采样时间的限制等综合到一起进行设计，给出了优化的设计结果。论文最后结合无源性和阻抗的概念，对一个典型的人在回路的力觉接口系统——飞行模拟器操纵负荷系统，进行了无源性设计。关键词：虚拟现实技术：力觉交互系统；

4、提升技术；无源性；稳定性哈尔滨工程大学硕士学位论文力觉接口的无源性分析及设计AbstractForcesensation，thesameasothersensationssuchasvisionandhearing，iSoneoftheimportantmeansofpeopletogetinformationfromoutside，anditplaysquiteanimportantroleinthedevelopmentandapplicationofvirtualrealitytechnology．Inrecentyears，withthecontinuousdevelopm

5、entandprogressofcomputertechnologyandrobottechnology，virtualrealitytechnology，especiallyhapticinteractiontechnology，graduallybecomesahotissueofresearchesathomeandabroadandisgivenextensiveattentionbynativeandforeignexpertsandscholars．Virtualrealitytechnologyisalifelikevirtualenvironmentproduced

6、bycomputers．Throughvarioussensordevicesmanipulatorsareinvolvedinthisvirtualenvironmenttoachievetheinteractionbetweenmanipulatorsandthevirtualenvironment，andgivethemafeelingofbeingpersonallyonthescene．Hapticinteractionsystemiscomposedofmanipulators，hapticinterfacedevicesandvirtualenvironment．Ha

7、pticinterfaceistheinterfacebetweenmanipulatorsandthevirtualenvironment．Itenablespeopletofeelandmanipulatethevirtualorlong-rangeenvironment．Fortheremotecontroloflong-rangeenvironment，hapticinterfaceisconnectedwithlong—rangemanipulatingde