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基于工业应用的六自由度力反馈器的机构研究与应用研究

李佳佳  
【摘要】:VR技术中力反馈的加入,提高了原来单纯依赖视觉和听觉再现设备的人机交互的效果,使人与虚拟世界的交互更真实,更可靠,近年来受到广泛的关注。作为人机力觉交互实现的关键,力反馈设备的性能直接决定了其实现的效果。它能够尽可能真实地再现虚拟环境中的质量、惯量和硬度等信息,但其发展仍比较滞后,接下来的研究重点是如何提高力反馈设备的实用性,改善机构机型,扩大应用领域,以期获得更大的发展。 本文首先介绍了力反馈设备的起源、国内外研究现状和应用领域,对力反馈器的工作原理进行了阐述。针对现有的力反馈器的机构类型,总结出其各自存在的优势和不足之处,并指出未来混联式力反馈器将是一个新的发展方向。简要阐述了人机工程的含义、研究重点,并深入分析了人机工程学在力反馈器设计中的应用,设计中要充分结合人机工程学,才能设计出符合“人”需要的产品。根据机器人学的相关知识,建立了力反馈器的机械结构与其工作空间的运动学方程和力的传递关系。 以人机工程学为指导,以力觉交互技术在工业中的具体应用为铺垫,提出了力反馈器的设计要求,并根据以往力反馈器的设计资料确定了设计指标,确定出面向工业应用的力反馈器的机构形式并简要概述了其功能。接下来具体讨论了机械传动方式,并进一步实现了在机械结构工程设计中的尺寸确定和选材,最终完成了一种六自由度的混联式机构形式的设计。该机构由上下两部分组成,两部分是串联连接,但各自又是并联机构,这样一来,则很好的避开了单独使用串并联机构带来的不利因素。 结合力反馈技术的虚拟拆装技术以其特有的优势已越来越多的应用在产品开发和维修中。本文尝试将其应用在印刷机械领域,详细讨论分析了拆装过程中涉及到的关键技术,包括几何体的建模,虚拟场景的构建,拆装序列的规划和力反馈的实现等几方面,并通过实例完成了对力的绘制方法的验证。最后,在虚拟现实软件virtools中,遵循上述关键技术和虚拟拆装规划流程,结合力觉交互的关键接口工具PHANTOM力反馈器,实现了具体的印刷机递纸机构的拆装方案。


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