基于气动肌肉的双向力反馈数据手套的研究

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1、南京理工大学硕士学位论文基于气动肌肉的双向力反馈数据手套的研究姓名：缪小冬申请学位级别：硕士专业：机械制造及其自动化指导教师：李小宁;孙中圣20090525硕士论文基于气动肌肉的双向力反馈数据手套的研究摘要虚拟现实系统中，力觉模拟和再现是增强系统真实感，营造沉浸效果的基本手段之一，与之相关的研究日益受到重视，并成为一个新的研究领域。目前，力觉再现的形式各种各样，其中应用比较广泛的为力反馈数据手套。本文提出并设计了一种基于气动肌肉的外骨架式双向力反馈数据手套，只对指尖施加单点作用力，无需对每个手指关节施加力。使得整体结构简单，重量轻，与手指的固定更牢固，便于控制。该数据手套能够提供双

2、向力作用，可以驱动手指弯曲／伸展双向运动，使其不仅能够应用于虚拟装配、遥操作等虚拟现实领域，而且能够应用于手指的医学康复中。本文首先介绍了数据手套的整体结构、驱动系统、角度测量原理和力反馈原理。驱动系统采用了一对对抗性气动肌肉加制动器的方式，既能够满足人手的自然运动，又能够随时制动进而产生双向力反馈。采用非接触式磁阻传感器，间接测量手指的弯曲角度。设计了一种基于应变测量的力矩传感器，通过测量数据手套的驱动力矩，间接测量作用在手指上的指尖力。在简化人手模型的基础上，对手指和数据手套进行了运动学分析和静力学分析，推导出了手指关节与外骨架连杆机构的运动学关系，得到了作用在手指上的指尖力，

3、为数据手套的结构设计、角度测量和力反馈控制提供了理论依据。根据运动学分析和静力学分析的结果，研究了双向力反馈数据手套在虚拟现实领域和手指康复中的工作原理，为力反馈数据手套的应用奠定了理论基础。其次介绍了角度传感器的测量原理、校准方法、角度测量基准点的确定和角度换算关系。介绍了力矩传感器的原理及标定方法。在满足人手佩戴要求的基础上，分析了连杆结构参数对角度测量和指尖力的影响，为结构参数的选择提供了依据。最后搭建了力反馈数据手套的实验系统，采用Labview编写了控制程序，对数据手套的角度信号和力矩信号进行采集。对自制的气动肌肉进行了基本特性测试，完成了角度测量实验，对力反馈数据手套进

4、行了开环静、动态特性测试。在前面实验的基础上，采用PID控制策略完成了指尖力反馈闭环实验。实验表明，设计的双向力反馈数据手套可以测量手指关节弯曲角度，能够提供双向力作用，力作用效果明显。关键字：双向力反馈，数据手套，虚拟现实，康复坝士记又基于气动肌肉的双向力反馈数据手套的研究AbstractInvirtaalrealitysystem，forcesimulationanddisplayisabasicmethodtostrengthentherealisticsensationandconstructtheimmersion．nleresearchaboutithasreceive

5、dincreasingattention，andbecomeallappealingresearchfield．Atpresent,therearedifferentwaystorealizeforcefeedback,oneofwhichwidelyusedisforcefeedbackdataglove．Anovelbi．directionalforcefeedbackexoskeletondatagloveusingpneumaticmusclesasactuatorsispresented．Thedatagloveexertsbi—directionalforceonlyo

6、nthefingertip，notoneveryfingerjoint．Thusithasadvantagesofsimplestructure，lightweight，firmlyattacheditselftothefinger'andiseasytobecontr01．Thedataglovecallsupplybi．directionalforcetodrivethefingertoflexandextendinbi—direction，whichmakeitnotonlyappliedtovirtualassemblysystemandtelepresencesystem

7、andothervirtualrealityfields，butalsoappliedtorehabilitationoffingerinjuries．Firstly,theoverallstructure，actuationsystem，principleofanglemeasurementandprincipleofforcefeedbackareintroduced．Thecombinationofapairofantagonisticpneumaticmusc