虛擬環(huán)境中力-觸覺建模與感知理論和方法研究.pdf

1、作為一種新興的人機(jī)交互技術(shù)，力/觸覺再現(xiàn)技術(shù)借助力/觸覺再現(xiàn)設(shè)備和計(jì)算機(jī)仿真環(huán)境，使得操作者可以觸摸、感知和操縱虛擬物體。與視覺再現(xiàn)或聽覺再現(xiàn)結(jié)合在一起，力/觸覺再現(xiàn)技術(shù)能夠極大程度地增強(qiáng)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的真實(shí)感，進(jìn)一步加強(qiáng)和拓展了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在醫(yī)療、軍事、工業(yè)、教育和日常生活中的應(yīng)用。本論文以國家“九七三”重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目和國家“八六三”高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目為依托，從實(shí)現(xiàn)方法、模型建立、人機(jī)耦合穩(wěn)定性和系統(tǒng)

2、性能等方面，對虛擬環(huán)境中力/觸覺再現(xiàn)中的一些關(guān)鍵問題進(jìn)行了研究。論文研究工作中所有的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，都是基于Delta力/觸覺再現(xiàn)設(shè)備來構(gòu)建的。 對于一個(gè)力/觸覺再現(xiàn)系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采樣系統(tǒng)的本質(zhì)特性、作用力計(jì)算刷新率、力/觸覺再現(xiàn)設(shè)備固有特性(阻尼、摩擦力和位移傳感器量化誤差)和操作者的行為特性等因素共同決定了系統(tǒng)的性能。論文通過實(shí)驗(yàn)研究了PC機(jī)和Windows操作系統(tǒng)環(huán)境下實(shí)現(xiàn)作用力計(jì)算循環(huán)控制的3種方法(時(shí)間查詢法、多媒體定時(shí)器法和基

3、于實(shí)時(shí)擴(kuò)展方法)的性能，確立了基于實(shí)時(shí)擴(kuò)展方法的適用性。提出了一種新穎的“超線程”力/觸覺再現(xiàn)體系結(jié)構(gòu)，通過將力/觸覺再現(xiàn)算法與其他耗時(shí)的事務(wù)解耦且以一定時(shí)間間隔連續(xù)觸發(fā)多個(gè)力/觸覺再現(xiàn)線程的途徑，有效地提高了系統(tǒng)中作用力計(jì)算刷新率，進(jìn)而提高了系統(tǒng)性能。該體系結(jié)構(gòu)還因?yàn)槟軌蛉菁{相對較大的算法計(jì)算時(shí)間，使得仿真較復(fù)雜的虛擬環(huán)境成為可能?？紤]到速度參量在力/觸覺再現(xiàn)作用力模型建立中的重要性，本文從交互過程中位移信息出發(fā)，利用位移峰值點(diǎn)和速度

4、變化較大點(diǎn)作為分段點(diǎn)，分段進(jìn)行速度估算。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該速度估算方法能夠兼顧準(zhǔn)確性和快速性，能夠廣泛應(yīng)用于力/觸覺再現(xiàn)系統(tǒng)。 作為力/觸覺再現(xiàn)系統(tǒng)中的主導(dǎo)性組成部分，操作者對系統(tǒng)性能有著重要的影響。針對人類操作者手臂阻抗受多種因素(身體姿勢和肌肉張力等)影響、大小可以在一定范圍內(nèi)調(diào)整和調(diào)整需要一定響應(yīng)時(shí)間的特性，提出了一種利用隨位置變化的磁力場來調(diào)節(jié)操作者手臂阻抗特性的方法。對比實(shí)驗(yàn)證明該方法能夠在交互過程中逐漸提高操作者對擾動(dòng)的抑

5、制能力，從而增強(qiáng)人機(jī)耦合系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 力/觸覺再現(xiàn)系統(tǒng)是一個(gè)數(shù)據(jù)采樣系統(tǒng)，系統(tǒng)中的采樣保持環(huán)節(jié)會(huì)引起能量泄漏，從而有可能引起系統(tǒng)不穩(wěn)定。為了消除這種能量泄漏，論文從無源性理論出發(fā)，提出了基于能量補(bǔ)償控制的力/觸覺再現(xiàn)方法。該方法以理想的連續(xù)時(shí)間力/觸覺再現(xiàn)系統(tǒng)為參考，利用能量補(bǔ)償控制器計(jì)算并補(bǔ)償數(shù)據(jù)采樣力/觸覺再現(xiàn)系統(tǒng)在每個(gè)采樣周期內(nèi)由于“做功差”引起的能量流差異。該方法不僅消除了系統(tǒng)中流出的過能量，還補(bǔ)償了操作者對虛擬物體做

6、功過程中的欠能量。基于虛擬墻系統(tǒng)進(jìn)行了多實(shí)驗(yàn)對象參與的對比實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該方法能夠有效地提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和仿真真實(shí)性。當(dāng)基于能量補(bǔ)償控制的方法能夠有效地提高系統(tǒng)最大再現(xiàn)剛度時(shí)，力/觸覺再現(xiàn)設(shè)備位移傳感器量化誤差成為影響系統(tǒng)性能的因素。提出了基于移動(dòng)平均濾波器的方法和基于非線性彈簧模型的方法來抑制量化誤差引起的干擾。前者通過僅在低速運(yùn)動(dòng)時(shí)用移動(dòng)平均濾波器，獲得抑制干擾且盡可能地減小濾波器時(shí)延的效果；后者融合線性彈簧模型和基于平方根方程的彈簧模