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虚拟现实(VR)技术是伴随计算机科学的发展而快速崛起的新一代仿真技术,它的出现为人机交互提供了新途径,也为人们生活提供了丰富多彩的体验。作为人机虚拟现实交互的媒介,力触觉装置通过再现控制系统对数据采集模块所采集的操作者输入力/位移信息进行处理,并将反馈控制信号通过通信信道传递给相应的驱动器,进而控制电机输出反馈力/位移,并通过末端执行器将反馈作用于操作者手部。力触觉装置研制的优劣与否直接影响操作者与虚拟对象仿真交互过程中获得的沉浸感、真实感的程度。力触觉装置研制的关键问题包括:机构选型设计,机构运动空间分析,虚拟物体碰撞建模及机构整体电气系统搭建。本文以七自由度力触觉装置为设计目标,基于拓扑结构理论对机构进行选型设计,对机构自由度、耦合度进行分析;研究了机构折叠性、伸展性以及工作空间问题;分析了虚拟物体建模方法并给出基于OBB包围盒树的碰撞检测算法思路;将夹取机构进行简化,并利用PLC、驱动器和电机对夹取模型进行控制系统再现实验。主要研究内容包括:(1)基于拓扑结构理论,采用六自由度混联机构和单自由度夹取机构组合的方式对七自由度力触觉装置进行了设计,分析了机构自由度耦合度,绘制了机构的三维模型,并对力触觉装置进行了研制。(2)采用矢量回路法对Delta机构运动学正逆解进行研究,得到机构输入输出的关系,并对机构正解进行算例分析;采用D-H坐标变换对串联机构运动学进行研究;将球面3R串联机构及夹取机构进行简化,对简化后的等效Delta机构进行了运动空间以及折叠性、伸展性研究;采用蒙特卡洛法对机构运动包络轨迹进行仿真。(3)基于虚功原理对Delta机构动力学问题进行建模,通过分析得出机构动平台输出与驱动力矩的关系;采用ADAMS软件对Delta机构进行了建模及动力学仿真。(4)基于经典弹簧-质点模型,通过添加切向力及摩擦力,构造出适用于粘弹性物体建模的改进弹簧-质点模型,并对模型动力学进行了分析;分析了4种包围盒技术,并对平面以及空间简单几何体的碰撞检测原理进行研究;给出了基于OBB包围盒树的虚拟物体碰撞检测的遍历算法。(5)研究了力触觉系统的电气控制原理;分析了力触觉装置的组成以及常用的两种控制模式;对机构电气控制系统进行分析;构造夹取机构仿真实验平台,分析了夹取就与反馈电压的关系,验证了采用单自由度弹簧-质点模型模拟夹取动作的可行性。