遥操作系统中力反馈研究与实现

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1、万方数据卅⋯嚣：鬻专题研物文章编号：11301．9944(2008)09—0001-04遥操作系统中力反馈研究与实现赵迪，付艳，李世其，朱文革，李明富(华中科技大学机械科学与工程学院，武汉430074)摘要：力反馈的研究与实现是遥操作系统研究的重要内容之一。该文设计了一种带力反馈的主从式遥操作系统。在系统中提出以虚拟手指空间位姿代替实际力作用线方向上位移的计算和基于实际材料的虚拟力外推的方法。该方法以虚拟手指的住姿来计算虚拟力．以实验所得实际材料的数据作为索引进行虚拟力的外推。实验结果表明，和以往的考虑力和变形关

2、系的力反馈研究相比。此力反馈系统不仅简单易行，同时保证了较高的精度和刷新率。关键词：力反馈；虚拟力；遥操作中图分类号：TP217文献标志码：AResearchandImplementationofForceFeedbackinTeleoperafionSystemZHAODi，FUYan，LIShi-qi，ZHUWen-ge，UMing—fu(DepartmentofIndustrialEngineering，HuazhongUniversityofScienceandTechnology，Wuhan430074

3、，China)Abstract：Researchandimplementationofforcefeedbackisoneofthemostimportantcontentinteleoperationsys-tern．Amaster-slaverteleoperationsystemwithforcefeedbackisproposed．Usingvirtualfinger’Spositionsteadingofrealdistanceandextrapolationbasedonrealmaterialare

4、alsosuggestedinthesystem．Thismethodusesvirtualfin—gertocalculatevirtualforce．WeUserealmaterial’Sdategotbyexperimenttoextrapolate．Theexperimentresultshowsthatcomparedwithpreviousphysicalbasedoninassspringforce／deformactionmodel，thismethodismucheasiertorealizea

5、ndcanensuretheprecisionandupdaterate．Keywords：forcefeedback；virtualforce；teleoperation遥操作系统可以使机器人等智能设备代替人类工作在危险、人类不能到达或人类不适于长期驻留的环境中。通常的遥操作系统采用虚拟现实场景辅以力觉反馈。以克服遥操作中的时延，并且给操作者提供力觉临场感。实际应用表明．良好的力反馈可以使操作者在有或无视觉反馈的情况下执行遥远场所的任务。且性能优于没有力反馈的情形。所以可以将力反馈认为是影响遥控操作器的一个重要

6、因素。研究表明。力觉信息在远距离遥操作以及与虚拟环境的互动上同收稿日期：2008-01—11；修订日期：2008—05-23基金项目：CAST创新基金(CAsl[’200626)作者简介：赵迪(1981一)，男，博士生，研究方向为机器人遥操作等；付艳(1977一)，女，博士生，讲师，研究方向为人机交互、人因工程等；李世其(1965一)，男。教授，博士生导师，研究方向为虚拟仿真及虚拟样机、工程结构及机械系统的动态设计等；朱文革(1970--)，男，博士生，讲师，研究方向为虚拟仿真及虚拟样机；李明富(1979一)，男

7、，博士生。研究方向为机器人视觉、机器人遥操作、智能控制。自动亿与仪表200s(9J)Ⅱ万方数据霞专题研究样扮演着至关重要的角色。随着科技的不断进步，尽管力反馈设备已经达到了工业应用的水平，但是力反馈模型的更新速度对于实时力反馈的要求仍不能满足，尤其是对于复杂模型。提高硬件设备的性能只能有限地提高场景中模型的更新速度。因此，有必要改进力反馈信息更新算法以提高刷新速度。1背景一直以来，对虚拟力物理建模，都集中在虎克定律研究的基础上进行延伸。如弹簧一质子离散法．弹性覆层法其核心都是对虎克定律进行变形。但其有先天的不足，

8、虎克定律在对复杂接触物体进行模拟的时候，存在着精度不够和不能完全表现接触物体力学特性的问题。在现实世界中，各种材料的物理特性复杂多样。对于弹性现实生活中，实际材料是复杂多样的。对于弹性材料接触力和变形之间有着一一对应关系．而许多材料在一定变形条件下，则显示了非线性特性。这是因为一方面很多材料具有粘弹性(如聚合物材料、生物材料等)。此类材料受力后的变形过程是一个随时间而变化