一种提高基于线绳的力反馈设备显示阻抗范围的方法

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1、第201302年卷第9月5期机器人ROBOTVl0S1．e3p2．No．52010．，DoI：10．3724／SEJ．1218．2010．00630一种提高基于线绳的力反馈设备显示阻抗范围的方法林理平，吴平东，黄杰，李建(北京理工大学机械与车辆工程学院，北京100081)摘要：提出一种通过动态调整线绳预紧力提高基于线绳的力反馈设备显示阻抗范围的方法．介绍了基于线绳的力反馈设备的基本结构，从能量耗散的角度分析了线绳张力对设备显示高刚度虚拟物体时稳定性的影响，并分析线绳预紧力与力觉交互透明性之间的关系．为同时满足稳定性和透明性的要求，根

2、据设备操作末端与虚拟物体的接触状态，对线绳的预紧力进行动态调整．实验结果表明，该方法能够存保持设各透明性的同时，有效提高其稳定性，从而提高设备显示的阻抗范围．关键词：力反馈；虚拟现实；稳定性；透明性中图分类号：TP24文献标识码：A文章编号：1002—0446(2010)一05—0630—05AMethodforIncreasingImpedanceRangeofString—basedForceFeedbackDeviceLINLiping，WUPingdong，HUANGJie，LIJian(SchoolofMechanical

3、andVehicularEngineering，BeijingNs6m~ofTechnology，Beijing100081，Ch／na)Abstract：Amethodforincreasingimpedancerangeofstring--basedforcefeedbackdevicebyadjustingthepretight-。ingforcedynamicallyisproposed．Thebasicstructureofstring—basedforcefeedbackdeviceispresented，andanen

4、ergy—dissipation—basedapproachisusedtoanalyzetheinfluenceofs~ingtensiononthestabilityofhapticdisplaywhenrenderinghigh-stifnessvirtualobjects．Andtherelationshipbetweens~ingpretighteningforceandforceinteractiontransparencyisanalyzed．Inordertomeettherequirementsofstabilit

5、yandtransparencysimultaneously,stringpretightingforceisadjusteddynamicallyaccordingtothecontactstatebetweentheend—efectorandvirtualobjects．Experimentalresultsshowthatthismethodcantradeofstabilityandtransparency,therebyenlargetheachievableimpedancerange．Keywords：forcefe

6、edback；virtualreality；stability；transparency1前言(Introduction)体时，末端应能够根据虚拟物体的刚度，输出相应的阻抗．然而，当要显示的刚度超过一定值时，将会引为提高虚拟现实的交互性，经常利用力反馈设起末端的振动，破坏了力显示的真实感．基于能量备为用户提供触觉感知．迄今为止，已有多种类型的方法常被用丁分析这种不稳定性，这种方法认为的力反馈设备，如Phantom、Omeag、SPIDAR等不无源性是保证系统稳定的充分条件_2J，控制系统零同系列．其中设备的阻抗显示范围是衡量力反馈设

7、备性能的一项重要指标[1]．冈为在真实世界中，用阶保持器是产生多余能量的来源[3j，而阻尼是耗散这些多余能量保持系统稳定的主要方式[4]．Diolaiti户感受到的阻抗是在大范围内变化的，比如，在自由空间，当用户没有触摸到任何物体时，用户感受等分析了库仑摩擦力和动摩擦力对系统稳定性的影到的阻抗为0；当接触到刚度很高的物体时，阻抗很响，并对设备的工作稳定性区域进行了划分[5】．目大．所以，理想的力反馈设备应该能够为操作者提前，各研究者提出了多种减少多余能量的产生、加快供在较大范围内变化的阻抗，使操作者如同直接与多余能量耗散的方式，比如

8、动态评估能量的产生并虚拟世界中的自由空间或各种刚度的物体进行交互通过数字阻尼元件耗散多余的能量-6』，采用动态可一样．设备的这种性能又称为设备的透明性．变的电气阻尼使末端在自由空间运动时阻力很小，为了提高设备透明性，设备的末端在自由空