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力触觉再现系统的稳定性问题分析.pdf 88页

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承诺书 本人声明所呈交的博/硕士学位论文是本人在导师指导下 进行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和 致谢的地方外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究 成果,也不包含为获得南京航空航天大学或其他教育机构的学 位或证书而使用过的材料。 本人授权南京航空航天大学可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。 (保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 作者签名: 日 期: 南京航空航天大学硕士学位论文 摘 要 力触觉再现技术增强了虚拟现实系统的真实性和用户的沉浸感,是一种有着广阔应用前景 的人机交互技术。系统交互的稳定性是实现高性能和高真实性力触觉再现的前提,是力触觉再 现领域的研究重点之一。本学位论文分别从作用力刷新率、系统控制方法和操作者对系统的影 响三个方面开展了力触觉再现系统稳定性问题的研究。 在力触觉再现系统中,作用力的刷新率是影响系统稳定性的重要因素。在提高作用力刷新 率方面,论文分析了不同控制算法的性能,采用基于系统时间查询的多线程算法实现了作用力 刷新计算的并行设计。通过实验研究了系统在采用不同线程数目时,每个线程执行相同复杂度 计算任务时的刷新时间变化。论文通过实验研究不同线程下系统的最大再现刚度及同一刚度系 数下的系统性能,验证了所提出方法的有效性。实验表明在同等条件下,增加线程数目可以有 效提高系统的最大再现刚度。 力触觉再现控制方法是提高系统稳定性的另一重要途径。论文针对作用力刷新的滞后性,提 出基于作用力预计算的力触觉再现方法。通过对下一状态作用力的预计算,减小了设备位置检 测与作用力输出之间计算时延引起的误差。之后设计了相关的实验验证了方法的有效性。实验 结果表明,基于作用力预计算的力触觉再现方法能将系统最大再现刚度提高约40%。 操作者是力触觉再现的主导者和感受者,其对系统稳定性具有重要的影响。论文从操作者 的角度出发,分析了人手臂的力学特性,提出了调节操作者手臂机械阻抗的系统模型,研究了 不同方向和大小的背景力场对干扰的抑制能力,并开展了一系列实验验证了其对力触觉再现系 统稳定性的影响。实验结果表明背景力场能够有效改变操作者的手臂机械阻抗,通过对干扰的 抑制提高力触觉再现的系统稳定性。 本学位论文从不同方面开展了力触觉再现系统稳定性问题的研究,对提高力触觉再现系统的 性能、促进力触觉再现技术的发展和应用具有重要意义。 关键词:力触觉再现,作用力刷新率,并行计算,系统控制方法,操作者手臂阻抗特性 i 南京航空航天大学硕士学位论文 ABSTRACT Haptic rendering leads to a more realistic virtual reality system and it is a promising human-computer interaction technology that has broad application prospects. The system stability is a prerequisite for the improvement of system performance for haptic rendering. In this thesis, research on improving system stability through the force refresh rate, the control method of haptic system and the influence of the human operator ar

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