（機(jī)械電子工程專業(yè)論文）新型氣動力反饋數(shù)據(jù)手套的設(shè)計(jì)的研究.pdf

中文摘要 摘要 虛擬現(xiàn)實(shí)是利用計(jì)算機(jī)模擬建立的三維空問的虛擬場景，結(jié)合外圍人機(jī)交互設(shè)各， 給予操作者視覺、聽覺、力覺和觸覺等各個感官的模擬，使操作者如同身臨其境，可以 如同現(xiàn)實(shí)一樣去感知三維空間的事物及其特性。虛擬現(xiàn)實(shí)的三大特性是：沉浸感、交互 性和構(gòu)想性。人實(shí)際認(rèn)識事物很大程度上是通過人手束實(shí)現(xiàn)的，因此研究人手與虛擬場 景的交互操作是非常重要的。為了增強(qiáng)人手與虛擬場景的沉浸感和交互性，操作者借助 的外圍接口設(shè)各顯得很關(guān)鍵。 本文研究的重點(diǎn)就是在對現(xiàn)有力反饋數(shù)據(jù)手套進(jìn)行研究和分析的基礎(chǔ)之上，研制了 一種基于低摩擦氣缸為驅(qū)動器的新型力反饋數(shù)據(jù)手套，設(shè)計(jì)的力反饋數(shù)據(jù)手套樣機(jī)具有 輸出力大、摩擦力小和重量輕等特點(diǎn)，并且能夠較好地實(shí)現(xiàn)力反饋數(shù)據(jù)手套關(guān)節(jié)角度測 量和反饋力輸出這兩大通用功能。 首先，以人手骨髂模型為出發(fā)點(diǎn)，分析人手的運(yùn)動特性，建立了人手運(yùn)動簡圖模型。 探討丁力反饋數(shù)據(jù)手套控制的對象虛擬手模型的建立方法、碰撞檢測算法、抓取技 術(shù)和虛擬力計(jì)算。 其次，通過選用低摩擦氣缸作為驅(qū)動器和相關(guān)機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，研制了一種新型力 反饋數(shù)據(jù)手套。通過研究角度傳感器和位移傳感器的原理，設(shè)計(jì)了人手手套整體的姿 態(tài)間接測量方法。 然后，針對所設(shè)計(jì)的力反饋數(shù)據(jù)手套進(jìn)行量化分析；建立了人手一手套整體的運(yùn)動 學(xué)模型，得到井求解其運(yùn)動學(xué)方程組，以實(shí)現(xiàn)位姿反饋。設(shè)計(jì)了氣動回路，得到力反饋 的控制模型。同時，對設(shè)計(jì)的力反饋數(shù)據(jù)手套的性能參數(shù)：重量、摩擦力和運(yùn)動范圍進(jìn) 行了評估和計(jì)算。 最后，針對設(shè)計(jì)的力反饋數(shù)據(jù)手套毆計(jì)了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，進(jìn)行了低摩擦氣缸靜特性、人 手關(guān)節(jié)角度測量和力反饋控制三個實(shí)驗(yàn)，得到了手套驅(qū)動器輸出力的計(jì)算公式、人手彎 曲時關(guān)節(jié)角度的變化曲線和模擬虛擬操作時的力觸覺功能。 關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí)；力反饋；數(shù)據(jù)手套；角度測量 英文摘要 a b s t r a c t v i r t - u a lr e a l i t yi s g i v i n gs i m u l a t i o no ft h eo p e r a t o r sv i s i o n , h e a t i n ga n df e e l i n gb y m a k i n gu s eo ft h et h r e e d i m e m i o nv i r t u a ls c e n ei nt h ee o m p m e ra n d 、析mt h eh e l po f h u m a n - i n t e r a c t i o ne q u i p m e n ls ot h a tt h eo p e r a t o rs e e m sh a v es e l fp a r t i c i p a t i o nt op e r c e p t i o n t h et h r e e - d i m e n s i o n s t h i n g s a n dt h e i rf e a t u r e sa s r e a l i t y v i r t u a lr e a l i t yh a st h r e e c h a r a c t e r i s t i c s ：i m m e r s i o n , i n t e r a c t i o na n di m a g i n a t i o n a c t u a l l y , p e o p l ea c k n o w l e d g et h i n g s b yh a n d sa tm o s tt i m e ，s oi ti sv e r yi m p o r t a n tt or e s e a r c hi n t e r a c t i o nb e t w e e nt h eh a n da n d v i r t u a ls c e n e t h e r e f o r e ，t h eh u m a n i n t e r a c t i o ne q m p m e n tp l a y sa k e yr o l ei nt h ei n t e r a c t i o n , s oa st oe n h a n c et h ei m m e r s i o na n di n t e r a c t i o n t h em a i np o mo ft h i sp a p e ri sd e s i g nan e wt y p eo ff o r c ef e e d b a c kd a t ag l o v e ，w h i c h u s i n gl o w - f r i c t i o nc y l i n d e r sa si t sa c t u a t o r , o nt h eb a s eo fr e s e a r c ho ne x i s t i n gd a t ag l o v e sa t h o m ea n da b r o a d t h eg l o v eh a st h r e ec h a r a c t e r i s t i c s 、析n lb i go u t p u tf o r c e 1 0 w - f r i c t i o na n d l i g h tw e i g h t w h a t sm o r e ，t h eg l o v er e a l i z e dc o m m o ng l o v e st w of u n c t i o n sv e r yw e l l ，w h i c h i sj o i n tm e a s u r e m e n ta n df e e d b a c kf o r c eo u t p u t f i r s t ，t h eh a n d sk i n e m a t i c sc h a r a c t e r i s t i c sa r ea n a l y z e do nt h eb a s eo ft h eh a n ds k e l e t o n m o d e l ，s ot h a ti tg a i n sk i n e m a t i c sd i a g r a m t h e n , i ti n v e s t i g a t e se s t a b l i s h i n gm e t h o d ，c o l l i s i o n d e t e c t i o na l g o r i t h m ，g r a s pt e c h n o l o g ya n dv i r t u a lf o r c ec a l c u l a t i o no ft h ev i r t u a lh a n dm o d e l ， w h i c hi sc o n t r o l l e db yt h ef o r c ef e e d b a c kd a t ag l o v e s e c o n d l y , an e wt y p eo ff o r c ef e e d b a c kd a t ag l o v eh a sb e e nd e s i g n e dv i ac h o o s i n g l o w - f r i c t i o nc y l i n d e ra n dd e s i g n i n gm e c h a n i c a ls t r u c t u r e a n d ，aj o i n tm e a s u r e m e n tm e t h o d h a sb e e nd e s i g n e dv i ai n v e s t i g a t i o no nt h ep r i n c i p l eo ft h ea n g l es e n s o ra n dt h et r a n s l a t i o n s e n s 0 r t h e n ，q u a n t i t a t i v ea n a l y s i sh a sb e e nm a d eo nt h ed e s i g n e dg l o v e k i n e m a t i c sm o d e lh a s b e e ne s t a b l i s h e do nh a n d g l o v et og a i nt h ek i n e m a t i c se q u a t i o n sa n di t ss o l u t i o n , s oa st o r e a l i z et h eh a n dp o s i t i o nf e e d b a c k t h ef o r c ef e e d b a c kc o n t r o lm o d e lh a sb e e ne s t a b l i s h e dv i a d e s i g np r o p e rp n e u m a t i cc i r c u i t m e a n w h i l e ，e s t i m a t i o na n dc a l c u l a t i o nh a v eb e e nm a d eo n t h eg l o v ep r o p e r t yp a r a m e t e r s ，w h i c ha r ew e i g h t ，f r i c t i o na n dr a n g eo fm o t i o n f i n a l l y , e x p e r i m e n t a ls y s t e mh a sb e e nd e s i g n e do i lt h eg l o v et od ot h r e ee x p e r i m e n t s ， w h i c ha r el o w - f r i c t i o nc y l i n d e rs t a t i cc h a r a c t e r i s t i c ，h a n dj o i n tm e a s u r e m e n ta n df o r c e f e e d b a c kc o n t r o l ，a n di t g a i n sc a l c u l a t i o nf o r m u l ao ft h eg l o v ea c t u a t o r , h a n dj o i n tc h a n g e c u i v e 、析lh a n db e n d i n ga n ds i m u l a t i n gf o r c eh a p t i c 、j ，i mv i r t u a lo p e r a t i o n k e yw o r d s ：v i r t u a lr e a l i t y ；f o r c ef e e d b a c k ；d a t ag l o v e ；j o i n tm e a s u r e m e n t 大連海事大學(xué)學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說明 原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：本論文是在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，獨(dú)立進(jìn)行研究工作所取得的成果，撰寫成博碩士學(xué)位 論文：塹型氫動左厘堡麴握壬套的遮讓生硒塞：。除論文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，對論文的研 究做出重要貢獻(xiàn)的個人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本論文中不包含任何未加明確注明的 其他個人或集體已經(jīng)公開發(fā)表或未公開發(fā)表的成果。本聲明的法律責(zé)任由本人承擔(dān)。 學(xué)位論文作者簽名：逸絲翌 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學(xué)位論文作者及指導(dǎo)教師完全了解大連海事大學(xué)有關(guān)保留、使用研究生學(xué)位論文的規(guī)定，即： 大連海事大學(xué)有權(quán)保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交學(xué)位論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱 和借閱。本人授權(quán)大連海事大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，也 可采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編學(xué)位論文。同意將本學(xué)位論文收錄到中國優(yōu)秀博 碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫( 中國學(xué)術(shù)期刊( 光盤版) 電子雜志社) 、中國學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫( 中 國科學(xué)技術(shù)信息研究所) 等數(shù)據(jù)庫中，并以電子出版物形式出版發(fā)行和提供信息服務(wù)。保密的論文 在解密后遵守此規(guī)定。 本學(xué)位論文屬于：保密口在年解密后適用本授權(quán)書。 不保密口( 請?jiān)谝陨戏娇騼?nèi)打t 葉，) 論文作者簽名：淑饑噸導(dǎo)師簽 e ij 羽：勿一年7 月二日 新型氣動力反饋數(shù)據(jù)手套的設(shè)計(jì)與研究 第1 章緒論 1 1 課題背景及意義 虛擬現(xiàn)實(shí)( v i r t u a lr e a l i t y ) ，簡稱v r ，是上世紀(jì)九十年代出現(xiàn)的高新技術(shù)。單獨(dú)來 看，“虛擬”與“現(xiàn)實(shí)”二者是矛盾的，虛擬現(xiàn)實(shí)是利用計(jì)算機(jī)模擬建立的三維空間的虛擬 場景，并結(jié)合外圍人機(jī)交互設(shè)備，給予操作者視覺、聽覺、力覺和觸覺等各個感官的模 擬，使操作者如同身臨其境，可以如同現(xiàn)實(shí)一樣去感知三維空間的事物及其特性。 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)集成了計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)、計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)、人工智能、傳感技術(shù)和顯 示技術(shù)等技術(shù)的最新發(fā)展結(jié)果，是由計(jì)算機(jī)技術(shù)輔助生成的高技術(shù)模擬系統(tǒng)，在各個行 業(yè)應(yīng)用都非常廣泛： 1 ) 城市規(guī)劃：城市規(guī)劃一直是對全新的可視化技術(shù)需求最為迫切的領(lǐng)域之一，將 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用在城市規(guī)劃中，城市規(guī)劃方案不但可以借助虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)給用戶帶來 強(qiáng)烈、逼真的感官沖擊；而且可以通過虛擬現(xiàn)實(shí)的數(shù)據(jù)接口在實(shí)時的虛擬場景中隨時獲 取項(xiàng)目的數(shù)據(jù)資料，以方便設(shè)計(jì)人員進(jìn)行復(fù)雜項(xiàng)目的規(guī)劃和隨時修改。 2 ) 醫(yī)學(xué)：v r 在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用有著十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。一方面，在虛擬環(huán)境中， 醫(yī)護(hù)人員可以借助虛擬的人體模型以及外圍交互設(shè)備，可以很容易了解人體內(nèi)部器官結(jié) 構(gòu)；另一方面，外科醫(yī)生在動手術(shù)之前，通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的幫助，能夠重復(fù)地模擬手 術(shù)，尋找最佳手術(shù)方案并提高熟練度。 3 ) 虛擬裝配：裝配是一個機(jī)械產(chǎn)品從設(shè)計(jì)到完成的最后一個環(huán)節(jié)，將虛擬現(xiàn)實(shí)技 術(shù)應(yīng)用在機(jī)械產(chǎn)品裝配上稱之為虛擬裝配。傳統(tǒng)的裝配是指將工程師的設(shè)計(jì)圖紙加工為 現(xiàn)實(shí)產(chǎn)品，然后進(jìn)行產(chǎn)品的裝配。這樣不但使得產(chǎn)品的生產(chǎn)周期很長，而且在裝配工程 中一旦發(fā)現(xiàn)問題就得需要工程師重新修改圖紙，重新加工與裝配，生產(chǎn)成本和生產(chǎn)周期 大大提高。虛擬裝配則是將工程師設(shè)計(jì)的模型導(dǎo)入到虛擬場景中，借助外圍接口設(shè)備進(jìn) 行模擬裝配，這樣裝配過程中遇到的問題工程只需修改圖紙即可，大大降低了生產(chǎn)周期 和成本。同時，對于虛擬裝配的仿真結(jié)果可以視頻輸出，從而可以方便地對工人進(jìn)行生 產(chǎn)培訓(xùn)。 4 ) 模擬器：目前國內(nèi)外結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)制造的模擬器主要有飛機(jī)模擬器、汽車 模擬器和航海模擬器，模擬器主要由底部六自由度并聯(lián)機(jī)器人、上部模擬艙( 飛機(jī)駕駛 緒論 室、汽車駕駛室或輪船駕駛室) 以及虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)組成，并聯(lián)機(jī)器人模擬實(shí)際飛機(jī)飛行 ( 汽車行駛或輪船航行) 的位移和速度，讓操作者感受到飛行員( 司機(jī)或輪船駕駛員) 實(shí)際的運(yùn)動慣性。在模擬艙中，操作者借助于虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)可以感受實(shí)際飛行場景( 汽 車路面或海上波浪) 。這樣，一方面可以對操作者進(jìn)行飛行或者駕駛培訓(xùn)，另一方面可 以模擬實(shí)際飛行或者駕駛遇到的問題，尋求最佳解決方案。 虛擬現(xiàn)實(shí)雖然廣泛應(yīng)用在各個領(lǐng)域，但是所有虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的組成是一致的如圖 1 1 所示： 圖1 1 虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)框圖 f i g 1 1b l o c kd i a g r a mo fv i r t u a lr e a l i t ys y s t e m 由上圖可知虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)具有以下三大基本特征： 1 ) 沉浸感( i m m e r s i o n ) ：沉浸感指的是指操作者作為主角所感覺到得虛擬環(huán)境的 真實(shí)程度。理想的虛擬環(huán)境應(yīng)該能使操作者全身心地投入其中，在虛擬空間中進(jìn)行有目 的的漫游、觀看、觸摸、聽取和聞嗅各種虛擬對象的特征，使操作似乎離開了自身所處 的真實(shí)環(huán)境，沉浸在虛擬世界之中，成為虛擬系統(tǒng)的組成部分。 2 ) 交互性( i n t e r a c t i v i t y ) ：交互性指的是操作者對虛擬環(huán)境中物體的可操作程度和 從虛擬環(huán)境中得到反饋的自然程度。用戶從虛擬環(huán)境所得到的信息，經(jīng)過大腦的分析和 思考，成為自己想要實(shí)施的動作或者策略，通過人機(jī)交互設(shè)備反饋給虛擬環(huán)境，實(shí)現(xiàn)與 虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的交互。 3 ) 構(gòu)想性( i m a g i n a t i o n ) ：構(gòu)想性強(qiáng)調(diào)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)具有廣闊的可想象空間，操 作者可以充分發(fā)揮自己的想象力，建立更為真實(shí)的虛擬環(huán)境，以獲取更多的知識，認(rèn)識 復(fù)雜系統(tǒng)層次的運(yùn)動機(jī)理和規(guī)律性。 虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中，沉浸感和交互性是最為重要的兩大特點(diǎn)，而只有操作者與虛擬現(xiàn) 實(shí)系統(tǒng)具有充分的交互性，才能保證操作者產(chǎn)生身臨其境的真實(shí)感覺。因此，交互性是 2 新型氣動力反饋數(shù)據(jù)手套的設(shè)計(jì)與研究 實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)功能的基本保證。操作者與虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的交互是通過人機(jī)交互設(shè)備 來實(shí)現(xiàn)的。目前主要的人際交互設(shè)備有三維鼠標(biāo)、立體眼鏡、數(shù)據(jù)頭盔、力反饋器和力 反饋數(shù)據(jù)手套等。 傳統(tǒng)的人機(jī)交互設(shè)備一般只能實(shí)現(xiàn)視覺的交互，而要增加虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的沉浸感以 及交互性，力覺和觸覺的感知是不可或缺的。例如遙操作系統(tǒng)的操作者需要具有交互作 用的遠(yuǎn)處場景的感覺，即要求對物體輪廓表面及抓握力進(jìn)行探測和感知；基于虛擬現(xiàn)實(shí)的 外科手術(shù)訓(xùn)練中，手術(shù)刀端部對虛擬生理組織剖切力的測量，可以給受訓(xùn)人員提供觸覺 感知反饋等等。在虛擬環(huán)境中，由于缺乏觸覺感知反饋手段，而使許許多多的信息源很 難反饋和顯示給異地的用戶，從而難以實(shí)現(xiàn)更加全面的人機(jī)交互作用。顯而易見，沒有 基于虛擬現(xiàn)實(shí)的接觸覺、力覺感知反饋?zhàn)饔茫秃茈y滿足各種工程實(shí)際應(yīng)用的要求。 實(shí)際操作中發(fā)現(xiàn)，人手是感知實(shí)際物體的力觸覺最常用的手段之一。因此，虛擬現(xiàn) 實(shí)系統(tǒng)中反映人手的接觸覺信息的力反饋數(shù)據(jù)手套是最重要的人機(jī)交互設(shè)備之一。力反 饋數(shù)據(jù)手套的研究對虛擬制造中零件的裝配、虛擬雕刻、機(jī)器人遙操作、人與計(jì)算機(jī)虛 擬運(yùn)動和力信息交互感知等研究和發(fā)展有極其重要的意義和影響。帶有力力矩反饋的能 實(shí)現(xiàn)多維移動和轉(zhuǎn)動的數(shù)據(jù)手套是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)中的力控n i 力顯示設(shè)備，在虛擬現(xiàn)實(shí)技 術(shù)中，操作者通過操縱力反饋數(shù)據(jù)手套，可以在計(jì)算機(jī)的虛擬環(huán)境中獲得操作真實(shí)物體 的感覺和身臨其境的感覺，操作者能獲取現(xiàn)場的總體印象，這將極大地提高操作者的現(xiàn) 場感知能力，更有效、更準(zhǔn)確地完成各種復(fù)雜任務(wù)。 因此，力反饋數(shù)據(jù)手套作為虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)人機(jī)交互接口設(shè)備的一種重要形式，對其 進(jìn)行研究和探索具有重要的理論意義和極高的應(yīng)用價值。 1 2 力反饋數(shù)據(jù)手套概述 力反饋數(shù)據(jù)手套的前身是數(shù)據(jù)手套，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)手套只能將操作者人手在空間的姿 態(tài)反映給虛擬手，而不能將虛擬手在虛擬場景中產(chǎn)生的力反饋給人手，這樣操作者對于 虛擬場景中的物體就不能有力觸覺的感知。 力反饋數(shù)據(jù)手套是傳統(tǒng)數(shù)據(jù)手套和產(chǎn)生反饋力的驅(qū)動器的結(jié)合體。簡單地說，也就 是傳感器和驅(qū)動器的結(jié)合體。 力反饋數(shù)據(jù)手套在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中主要有兩個作用：一是將傳感器測得的人手的位 姿在虛擬場景中虛擬手上再現(xiàn)；二是將虛擬手在虛擬環(huán)境中的虛擬力通過驅(qū)動器真實(shí)地 緒論 反饋到人手上。力反饋數(shù)據(jù)手套的操作過程如圖1 2 所示： 圖1 2 力反饋數(shù)據(jù)手套操作過程 f i g 1 2p r o c e s so ff o r c ef e e d b a c kd a t ag l o v e s 操作者佩戴力反饋數(shù)據(jù)手套在空間自由度，手套上的傳感器直接( 或間接) 測量人 手各關(guān)節(jié)的彎曲角度，在虛擬場景中的虛擬手上再現(xiàn)人手的實(shí)時姿態(tài)，根據(jù)虛擬手的姿 態(tài)進(jìn)行虛擬物體與虛擬手的碰撞檢測，若無碰撞，則人手繼續(xù)運(yùn)動，傳感器繼續(xù)更新各 個關(guān)節(jié)角度數(shù)值，虛擬手持續(xù)反映人手實(shí)時姿態(tài)；若二者產(chǎn)生碰撞，則解虛擬物體與虛 擬手的運(yùn)動平衡方程，若二者不平衡，則虛擬手與虛擬物體之間的作用力為接觸力，二 者之間的運(yùn)動為相對運(yùn)動；若二者平衡，則虛擬手與虛擬物體之間的作用力為抓取力， 虛擬物體應(yīng)與虛擬手一起運(yùn)動。不論是接觸力還是抓取力最終通過計(jì)算機(jī)控制力反饋數(shù) 據(jù)手套上的驅(qū)動器使得反饋力在人手上再現(xiàn)，使操作者產(chǎn)生力的感覺。 1 3 國內(nèi)外力反饋數(shù)據(jù)手套的研究現(xiàn)狀與分析 1 3 1 國內(nèi)外主要研究單位與產(chǎn)品 哈爾濱工業(yè)大學(xué)的孫中圣博士設(shè)計(jì)的基于氣動人工肌肉的外骨架式力反饋數(shù)據(jù)手 套如圖1 3 所示【l 】，手指各個關(guān)節(jié)的彎曲角度基于平面四桿機(jī)構(gòu)原理來測量得到，驅(qū)動 l - 新型氣動力反饋數(shù)據(jù)手套的設(shè)計(jì)與研究 器采用的是氣動人工肌肉外加氣動制動氣囊的組合，既可實(shí)現(xiàn)人手的自由運(yùn)動又可滿 足對三個手指的各個關(guān)節(jié)產(chǎn)生持續(xù)的反饋力。氣動人工肌肉的最大輸出力可達(dá)1 4 n ，角 度測量精度高，適用于不同的人手。手套重量達(dá)6 9 0 9 ，不適合操作長時間佩戴。 圖13 氣動人上肌肉的外骨架式力反饋數(shù)據(jù)手套 f i g 1 3p n e m , n a t l c a r f i t i c i a l m u s c l e s o 曲p f a m e f o r c e f e e d b a c k d a t a g l o v e 中科院研制的c a s - g r a s p 力反饋數(shù)據(jù)手套如圖1 4 所示f 2 】，該手套采用線性電磁鐵作 為驅(qū)動部件。系統(tǒng)體積小。傳輸機(jī)構(gòu)為外徑只有1 3 n u n 的蛇管一鋼絲繩結(jié)構(gòu)，人手彎曲 角度由同類型的c a s - g l o v e 的1 8 個傳感器測得。手套的缺點(diǎn)是輸出力摩擦力比較大。 圈14 c 罄- g r a s p 力反饋數(shù)據(jù)手套 f i g1 4c a s g r a s pf o r c ef e e d b a c kd a t a g l o v e 東南大學(xué)研制了一種基于磁流變效應(yīng)的力反饋數(shù)據(jù)手套如圖15 所示f ”，該驅(qū)動器的 核心部分是電流變液體，利用其流變特性隨著粘度變化而發(fā)生劇烈變化這一特性產(chǎn)生輸 出力，最大輸出力為6 n ，摩擦力為0 3 n ，但由于放置便液體的機(jī)構(gòu)比較復(fù)雜，體積大， 使得這種力反饋驅(qū)動器不能對多根手指進(jìn)行力反饋。 圖1 6c y b e l g 。唧力反饋數(shù)據(jù)手套 f i g 16 c y b e q g r a s p f o r c e f e e d b a c k d a t a g l o v e 美國羅格斯( r u t g e r s ) 大學(xué)的m o u r a db o u z i t 設(shè)計(jì)了一種基于力矩電機(jī)驅(qū)動的l r p 新型氣動力反饋數(shù)據(jù)手套的設(shè)計(jì)與研究 外骨架式力反饋數(shù)據(jù)手套如圖1 7 所示口i ，手指各個關(guān)節(jié)彎曲角度測量是基于平面絲桿 機(jī)構(gòu)原理，通過安裝在電機(jī)軸上的光電編碼器測量相鄰連桿之問繩子的長度變化來計(jì)算 的。驅(qū)動器由直流力矩電機(jī)和腱鞘傳輸系統(tǒng)組成，對每個手指關(guān)節(jié)能夠提供最大力矩值 為1 4 n m 。為了減輕手套重量，驅(qū)動器和光電編碼器都放在原理手指端，但這樣導(dǎo)致角 度測量系統(tǒng)離手指較遠(yuǎn)，角度測量的精度不能保證。連桿機(jī)構(gòu)使得手套適應(yīng)于不同的人 手，但手套的重量還是接近3 5 0 9 ，對操作者來說還是偏重了些。 圖1 8 t h e r t r t g e r s m a a t e r - n d 力反饋數(shù)據(jù)手套 f i g l 8 t h e r u t g c r s m a s t e r - n d f o r c e f e e d b a c k d a l a g l o v e 四個微型氣缸通過球形關(guān)節(jié)安裝在l 型底座上，氣缸可繞底座左右旋轉(zhuǎn)和上下擺 動，氣缸活塞桿與手指關(guān)節(jié)相連接，手指可以進(jìn)行內(nèi)收外展和彎曲“申展，結(jié)構(gòu)簡單。 由紅外傳感器測得的活塞桿位移和霍爾非接觸傳感器測得氣缸的角度值可以間接得到 手指各個關(guān)節(jié)的彎曲角度，氣缸的伸縮運(yùn)動即可為手指提供輸出力。由于氣缸的材料為 玻璃一石墨，使得手套摩擦力很低，約為1 4 m n ，而手套的最大輸出力可達(dá)1 4 n ?；钊麠U 的行程= 睦大可達(dá)4 4 1 m m ，可以適用于不同的人手，手套總體質(zhì)量僅為s 0 9 。這款手套在 摩擦力、輸出力和重量三個方面都要優(yōu)越于其它力反饋數(shù)據(jù)手套，缺點(diǎn)就是由于安裝在 手掌上，使人手的運(yùn)動范圍受到一定的限制，最大只能達(dá)到實(shí)際人手運(yùn)動最大幅度的 5 5 左右。 日本東京大學(xué)設(shè)計(jì)s e n s o rg l o v ei i 外骨架式力反饋數(shù)據(jù)手套如圖i9 所示 y l ，平面 連桿機(jī)構(gòu)安裝在手指各個關(guān)節(jié)上，手套共有2 0 個自由度，能對所有手指關(guān)節(jié)產(chǎn)生反饋 力，關(guān)節(jié)角度由安裝在連稈上的旋轉(zhuǎn)編碼器間接測量得到，驅(qū)動器由直流電機(jī)和繩索傳 輸系統(tǒng)構(gòu)成，為了減輕手套重量，驅(qū)動器放置在遠(yuǎn)離手套的地方，手套的缺點(diǎn)是摩擦力 較大。 圖19s e n s o r g l o v ei i 力反饋數(shù)據(jù)手套 f i g 19s e n s o r g l o v ei if o r c e f e e d b a c kd a t a g l o v e 日本慶應(yīng)義塾大學(xué)( k e l o u n i v e r s i t y ) 的t a t s u y a k o y a m a 設(shè)計(jì)的m u l t i - f i n g e r e d m a s t e r h a n d 力反饋數(shù)據(jù)手套如圖l1 0 所示舊，該手套的角度測量和馳動器都集中在平行的四桿 機(jī)構(gòu)上，四桿機(jī)構(gòu)通過另外一根獨(dú)立連桿相連，通過電位計(jì)測得四桿機(jī)構(gòu)測得兩個角度 間接計(jì)算得到手指彎曲角度。該手套重量輕結(jié)構(gòu)簡單，但是輸出力最大只有3 n 左右， 而摩擦力卻達(dá)到02 n 。 新型氣動力反饋數(shù)據(jù)手套的設(shè)計(jì)與研究 。 圖11 0 m d t i - f i n g e r e d i n g s t e r h a n d 力反饋鼓據(jù)手套 f i gl1 0 m u l t i - f i n g e r e d m s s t e rh a n d f o r c e f e e d b a c k d a t a g l o v e 132 現(xiàn)有力反饋數(shù)據(jù)手套對比分析 由以上關(guān)于國內(nèi)外目前所研制的力反饋數(shù)據(jù)手套可知，若從驅(qū)動安裝位置來考慮， 可將力反饋數(shù)據(jù)手套分為外骨架式和內(nèi)置式兩種。外骨架式力反饋數(shù)據(jù)手套驅(qū)動器安裝 在手背上。如哈爾濱工業(yè)大學(xué)、中科院、美國v m u a lt e c h n o l o g y 公司、美國羅格斯大學(xué) 的b o u z i t 和日本慶應(yīng)義塾太學(xué)所設(shè)計(jì)都是屬于外骨架式的。而東南太學(xué)和美國羅格斯大 學(xué)所設(shè)計(jì)的力反饋數(shù)據(jù)手套則都是將驅(qū)動器安置在手上，屬于內(nèi)置式的。外骨架式重量 大，運(yùn)動空間自由，可對手指的多個關(guān)節(jié)輸出反饋力。而內(nèi)置式結(jié)構(gòu)簡單，重量輕，但 是使得手指的運(yùn)動空間受到一定的限制。 從力反饋數(shù)據(jù)手套驅(qū)動器的驅(qū)動形式來看主要有三種：1 電驅(qū)動、氣動驅(qū)動和電流 變液體驅(qū)動1 9 】。電驅(qū)動一般采用豹是直流電機(jī)氣動驅(qū)動一般采用的是氣動人工肌肉或 者微型氣缸，電流變液體驅(qū)動一般利用的是智能材料豹磁流變效應(yīng)。 從力反饋數(shù)據(jù)手套手指關(guān)節(jié)彎曲角度測量來看有兩種形式，一種是通過商品化的數(shù) 據(jù)手套直接測得，如c y b e rg r a s p 等；另外一種是傳感器間接測量得到，如l r p 和t h e r u t g e r s m a s t e r - n d 等。通過商品化的數(shù)據(jù)手套測量角度大大增加了力反饋數(shù)據(jù)手套的造 價。因此，力反饋數(shù)據(jù)手套的設(shè)計(jì)者一般傾向于通過傳感器間接測量手指關(guān)節(jié)的彎曲角 度。 133 當(dāng)前力反饋數(shù)據(jù)手套的主要研究內(nèi)容與研究方向 力反饋數(shù)據(jù)手套的本質(zhì)是在獲取人手運(yùn)動姿態(tài)的同時，根據(jù)抓取物體的狀態(tài)施加虛 擬力到相應(yīng)的受力關(guān)節(jié)，產(chǎn)生實(shí)際人手抓取的力覺感受，力反饋數(shù)據(jù)手套的量度則是要 緒論 遵循小體積、低摩擦佩戴安全舒適等三個原則。因此，力反饋數(shù)據(jù)手套的研究內(nèi)容與方 向主要為以下幾個方面： 1 ) 驅(qū)動器的選擇：目前常用的驅(qū)動器有直流電機(jī)、氣動人工肌肉和低摩擦氣缸。 適用性較強(qiáng)的驅(qū)動器的要求是重量輕、體積小、輸出力大和摩擦力小，并且要求驅(qū)動器 能方便地和人手結(jié)合在一起，使得力反饋數(shù)據(jù)手套能夠?qū)⑷耸值奈蛔撕喴椎胤答伣o虛擬 手。 2 ) 機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)：機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)遵循兩個原則：一是力反饋數(shù)據(jù)手套是采用外 骨架式還是采用內(nèi)置式；二是如何和驅(qū)動器恰當(dāng)?shù)亟Y(jié)合實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)角度測量。外骨架式重 量大，運(yùn)動范圍也大；內(nèi)置式重量輕，運(yùn)動空間卻受限制。設(shè)計(jì)角度測量原理機(jī)構(gòu)和傳 感器位置合理布置是實(shí)現(xiàn)角度測量的兩個關(guān)鍵。 3 ) 虛擬場景的建立：建立逼真的虛擬場景是利用力反饋數(shù)據(jù)手套進(jìn)行虛擬交互的 前提條件。虛擬場景的建立主要包括虛擬手的建模、抓取對象的動態(tài)模型的建立、虛擬 力的計(jì)算以及信息交互等。現(xiàn)行的力反饋數(shù)據(jù)手套交互系統(tǒng)大部分都是基于3 維圖形工 業(yè)標(biāo)準(zhǔn)o p e n g l 并結(jié)合m f c 類庫開發(fā)的，這種方式逼真度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，不能提供良好的 沉浸感。法國達(dá)索公司開發(fā)的虛擬軟件v i r t o o l s 模型逼真，場景跟現(xiàn)實(shí)接近，結(jié)合三維 立體投影系統(tǒng)具有很好的沉浸感和逼真度。筆者認(rèn)為利用v i r t o o l s 提供的二次開發(fā)環(huán)境， 若能將力反饋數(shù)據(jù)手套在v i r t o o l s 中實(shí)現(xiàn)很好地交互使用，將克服以往力反饋數(shù)據(jù)手套 系統(tǒng)逼真度不夠的瓶頸。 4 ) 輸出力控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)：將虛擬場景中的產(chǎn)生的虛擬力實(shí)時、精確地反饋到人手 上是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵?；诹Ψ答仈?shù)據(jù)手套的虛擬交互系統(tǒng)由于傳感器、傳輸系統(tǒng) 以及摩擦力的存在往往導(dǎo)致控制系統(tǒng)實(shí)時性不強(qiáng)，實(shí)際輸出力與虛擬力存在較大偏差等 問題。因此，控制方法的設(shè)計(jì)與優(yōu)化也是基于力反饋數(shù)據(jù)手套的虛擬交互系統(tǒng)的需要研 究的一大關(guān)鍵。 1 4 課題主要研究內(nèi)容 1 、以人手為研究對象，分析人手和虛擬手模型。其中包括建立人手運(yùn)動簡圖模型 的建立、虛擬手的建模方法探討、虛擬手碰撞檢測算法學(xué)習(xí)、虛擬手抓取技術(shù)研究和虛 擬力的計(jì)算。 2 、根據(jù)人手模型的所有特性，設(shè)計(jì)并制作一套力反饋數(shù)據(jù)手套樣機(jī)。其中包括驅(qū) 1 m 新型氣動力反饋數(shù)據(jù)手套的設(shè)計(jì)與研究 動器的選擇、機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與加工和傳感器的設(shè)計(jì)三個方面的內(nèi)容。 3 、以研制的力反饋數(shù)據(jù)手套樣機(jī)為對象，對樣機(jī)進(jìn)行分析。其中包括運(yùn)動學(xué)分析、 反饋力控制以及樣機(jī)參數(shù)評估，樣機(jī)參數(shù)包括摩擦力、運(yùn)動范圍、輸出力大小和重量等。 4 、以研制的力反饋數(shù)據(jù)手套樣機(jī)為對象，研究其實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。其中包括驅(qū)動器靜態(tài) 特性、角度測量動特性以及輸出力控制系統(tǒng)的研究。 人手和虛擬手模型研究 第2 章人手和虛擬手模型研究 在進(jìn)行力反饋數(shù)據(jù)手套的設(shè)計(jì)之前，對人手模型的認(rèn)識是必須的一個前提條件。只 有正確分析了人手模型的機(jī)械運(yùn)動特性，才有可能設(shè)計(jì)出合理實(shí)用的力反饋數(shù)據(jù)手套， 才能使得操作者戴上所設(shè)計(jì)的力反饋數(shù)據(jù)手套之后能實(shí)現(xiàn)人手的各種運(yùn)動姿態(tài)，最終能 夠保證在虛擬手上再現(xiàn)人手的實(shí)時位姿。同時，只有建立了虛擬手模型并認(rèn)識虛擬手模 型的運(yùn)動特性，才能得到虛擬手與虛擬場景中的物體之間相互作用的虛擬力，這個則是 力反饋數(shù)據(jù)手套能夠提供力觸覺的基礎(chǔ)。 2 1 人手運(yùn)動簡圖模型 2 1 1 人手生物學(xué)模型 從生物學(xué)角度來看，人手同人體其它部位一樣，都是由皮膚、肌健、血管、神經(jīng)、 骨關(guān)節(jié)及韌帶組成，共1 9 塊骨骼和1 6 個關(guān)節(jié)。骨骼通過關(guān)節(jié)相連，不會發(fā)生變形，可 以看作是剛體。人手受力都是從肌肉變形開始的，肌肉產(chǎn)生的力或者力矩通過肌腱控制 關(guān)節(jié)的運(yùn)動，進(jìn)而帶動各段指骨的運(yùn)動。可以看出，骨骼在人手運(yùn)動中發(fā)揮主導(dǎo)作用， 骨骼的運(yùn)動決定了人手的姿態(tài)。因此，在分析人手模型時，忽略皮膚及其軟組織，只考 慮人手的骨骼模型，如圖2 1 所示。骨骼模型具有剛體的性質(zhì)，研究其運(yùn)動學(xué)較為簡單， 這就可以將人手的運(yùn)動姿態(tài)看作是完全取決于關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動。 圖2 1 人手骨骼模型 f i g 2 1m o d e lo fh a n ds k e l e t o n 新型氣動力反饋數(shù)據(jù)手套的設(shè)計(jì)與研究 從人手外表上看，大拇指似乎比其它手指少一段指骨，其實(shí)本質(zhì)上不是這樣的。從 圖2 1 可以看出，由于大拇指與手腕連接兩塊特殊骨骼p c o 和p 吖的存在，可以將大拇指 看作是與其它手指的骨髂組成是一樣的，也就是說人手的每個手指都是由三段指骨( p 。) 和三個關(guān)節(jié)( o 。) 組成，三段指骨分別是末端指骨、中段指骨和近端指骨，三個關(guān)節(jié)分別 是末端指關(guān)節(jié)、近端指關(guān)節(jié)和掌骨指關(guān)節(jié)。任意一根手指的運(yùn)動特點(diǎn)就能代表其余手指 的運(yùn)動特點(diǎn)，而不用單獨(dú)對大拇指進(jìn)行特殊的運(yùn)動分析。 2 12 人手自由度 手指的運(yùn)動方式有兩種：彎曲 申展和內(nèi)收，外展。末端指關(guān)節(jié)和近端指關(guān)節(jié)只能進(jìn) 行彎曲或者伸展，相當(dāng)于機(jī)械運(yùn)動副的轉(zhuǎn)動副，只有一個轉(zhuǎn)動自由度。如圖2 2 所示： 圖2 2 手指關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動副 f i g2 2 r e v o l u t e p a i r o f f i n g e r j o i n t 掌骨指關(guān)節(jié)不但能進(jìn)行彎曲或者伸展運(yùn)動，還能進(jìn)行內(nèi)收或者外展運(yùn)動，相當(dāng)于機(jī) 械運(yùn)動副中的球銷副，具有兩個轉(zhuǎn)動自由度，如圖23 所示。 圖2 3 掌售指關(guān)節(jié)球銷副 f i g 2 3s p a e r e - p i np a ；r m e t a c a r p a lf i n g e r j o i n t 一參 鬯占 人手和虛擬手模型研究 從以上分析可知，每根手指在空間都具有4 個自由度，3 個彎曲伸展的自由度和1 個內(nèi)收外展自由度，再加上人手手腕在空間有6 個自由度，那么人手一共是2 6 個自由 度。也就是說，人手的2 6 個自由度決定了人手的運(yùn)動方式及其運(yùn)動特點(diǎn)。 2 。1 3 人手運(yùn)動特點(diǎn) 由于人手自身的特性，2 6 個自由度的人手跟具有相同自由度的機(jī)構(gòu)的運(yùn)動特點(diǎn)是由 差別的，實(shí)際人手的運(yùn)動特點(diǎn)如下： 1 ) 人手的末端指關(guān)節(jié)和近端指關(guān)節(jié)二者的彎曲伸展運(yùn)動是相互約束的，二者的關(guān) 系如下式： 0 3 ：0 4 6 * 0 2 + 0 0 8 3 棗0 2 2 ( 2 1 ) 虛擬手的模擬中，二者的關(guān)系不用如此精確，一般用三分之二來代替即可，這樣能 帶來計(jì)算和力反饋控制的方便，而且誤差也可以接受。 2 ) 每個手指的三個關(guān)節(jié)與手指的“中軸”始終處于同一平面上，三個關(guān)節(jié)的彎曲伸 展運(yùn)動只能在同一平面進(jìn)行。如圖2 4 所示： 行。 一知 圖2 4 人手坐標(biāo)系 f i g 2 4c o o r d i n a t es y s t e mo fh a n d 從人手坐標(biāo)系圖可以看出，手指的彎曲伸展運(yùn)動只能在垂直于x m o m y m 的平面上進(jìn) 3 ) 掌骨指關(guān)節(jié)彎曲f 申展和內(nèi)收外展的軸線可以認(rèn)為是垂直的，如圖2 5 所示： 1 舢 新型氣動力反饋數(shù)據(jù)手套的設(shè)計(jì)與研究 、一， 圖2 5 掌骨指關(guān)節(jié)坐標(biāo)系 f i g 2 5c o o r d i n a t es y s t e mo f m e t a c a r p a lf i n g e r j o i n t 從上圖可以看出，掌骨指關(guān)節(jié)的彎曲伸展運(yùn)動只能在y i o i z i 平面上進(jìn)行，而內(nèi)收 外展運(yùn)動只能在x i o i z i 平面進(jìn)行，二個平面是始終垂直的。 4 ) 人手的運(yùn)動范圍是有限的，掌骨關(guān)節(jié)的彎曲伸展角度范圍是o 9 0 0 ，近端指關(guān)節(jié) 彎曲伸展的范圍是o 1 2 0 0 ，末端指關(guān)節(jié)的彎曲t * 展的范圍是o 8 0 0 ，手指內(nèi)收外展的 范圍為2 5 0 至2 5 0 ，人手手腕上下翻轉(zhuǎn)的角度是9 0 0 到9 0 。 2 1 4 建立人手運(yùn)動簡圖模型 圖2 6 人手運(yùn)動簡圖 f i g 2 6k i n e m a t i cs k e t c ho fh a n d 通過以上分析可以得出人手運(yùn)動簡圖模型如圖2 6 所示，人手的運(yùn)動簡圖模型分析： 人手和虛擬手模型研究 每根手指看作是由三段連桿組成的平面連桿機(jī)構(gòu)，每個平面連桿機(jī)構(gòu)都包含兩個轉(zhuǎn)動副 和一個球銷副，球銷副兩個轉(zhuǎn)動的軸線相互垂直，手腕處建立基礎(chǔ)坐標(biāo)系，有6 個自由 度，決定了人手在空間的位置。 2 2 虛擬手研究 力反饋數(shù)據(jù)手套交互的對象是虛擬手，虛擬手在人機(jī)交互中的流程圖如圖1 2 所示： 由流程圖可以看出，要實(shí)現(xiàn)完虛擬手的人機(jī)交互的整個過程，逼真的虛擬手模型是 物質(zhì)基礎(chǔ)，碰撞檢測算法、抓取技術(shù)和虛擬力計(jì)算是三個技術(shù)條件，虛擬手的完全研究 也正是包含這四個方面的。 2 2 1 虛擬手建模方法探討 虛擬手建模包括幾何模型和運(yùn)動學(xué)模型兩部分的建立。幾何模型描述的是虛擬手的 幾何特征、紋理以及材質(zhì)等，描述的是人手的物理特性。運(yùn)動學(xué)模型描述的是人手各部 分之間的運(yùn)動關(guān)系，建立正確的運(yùn)動學(xué)模型是實(shí)現(xiàn)操作者和虛擬手發(fā)生交互的基礎(chǔ)。 1 、虛擬手幾何模型 最終建立的幾何模型好壞判斷的依據(jù)是虛擬手與人手的相似度，也就是說看虛擬手 相比較人手的是否逼真。 可建立虛擬手幾何模型有很多，一般的三維建模軟件如s o l i dw o r k s 、p r o e 等都是 可以實(shí)現(xiàn)的，但普通的三維建模軟件的優(yōu)勢在于體現(xiàn)機(jī)械零件的外形特征以及約束關(guān) 系，而在材質(zhì)、紋理等逼真度的反映較差，這里要討論的是如何利用3 d sm a x 進(jìn)行虛 擬手的幾何建模。3 d sm a x 是美國a u t o d e s k 公司推出的一款三維動畫制作軟件，它在 模型的建立與渲染上以一種嶄新的面貌呈現(xiàn)在用戶面前，利用3 d sm a x 建立的模型逼 真度很好。 由于人手并不是一個簡單的整體，因此要對每段指骨以及手掌分別建模，如圖2 7 所示，將人手分成1 6 個部分進(jìn)行分別建模。 在3 d sm a x 建立好的模型導(dǎo)入到虛擬場景中一般有兩種方式。第一種是利用三維 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換軟件，如3 dc o n n e c t i o n 等將虛擬手幾何模型轉(zhuǎn)換成虛擬現(xiàn)實(shí)軟件可讀的文件 格式，轉(zhuǎn)換的過程中要注意避免模型文件信息的丟失。第二種是直接利用虛擬現(xiàn)實(shí)軟件 與3 d sm a x 之間的數(shù)據(jù)接口直接數(shù)據(jù)讀進(jìn)虛擬現(xiàn)實(shí)軟件中，如美國p t c 公司的 新型氣動力反饋數(shù)據(jù)手套的設(shè)計(jì)與研究 m o c k u p 、法國達(dá)索公司的v i r t o o l s 等。 圈27 人手分解圖 f i g2 7 d e c o m p o s i t i o np i c t u r eo f t h eh a n d 2 、虛擬手運(yùn)動學(xué)模型 虛擬手運(yùn)動學(xué)模型的目的就是要找到上述1 6 個部分之間的運(yùn)動學(xué)關(guān)系，由于人手 五根手指運(yùn)動學(xué)的共性，這里以食指為例研究手指各段指骨以及掌骨之問的運(yùn)動學(xué)關(guān) 系。d h 理論是分析平面連桿機(jī)構(gòu)各桿之間運(yùn)動學(xué)關(guān)系的最佳方法，根據(jù)d h 理論建 立食指的d h 坐標(biāo)系如下圖2 8 所示： 圖2 8 食指d h 坐標(biāo)系 f i g2 8 口hc o o r d i u a t es y s t e mo f i n d e xf i n g e f 簍 人手和虛擬手模型研究 手腕處坐標(biāo)系o m x m y m z m 為基礎(chǔ)坐標(biāo)系，食指有四個自由度，掌骨指關(guān)節(jié)可以看作 是兩個長度為0 的連桿的單自由度關(guān)節(jié)，內(nèi)收外展關(guān)節(jié)建立坐標(biāo)系為0 0 x 0 y o z 0 ，彎曲 伸展關(guān)節(jié)建立的坐標(biāo)系為o l x l y l z l ，近端指關(guān)節(jié)和末端指關(guān)節(jié)依次建立的坐標(biāo)系為 0 2 x 2 y 2 2 2 和0 3 x 3 y 3 2 3 。手指各關(guān)節(jié)坐標(biāo)系原點(diǎn)建立在關(guān)節(jié)處，基礎(chǔ)坐標(biāo)系原點(diǎn)在腕關(guān)節(jié)中 心處。所有坐標(biāo)系的x 軸方向都是根據(jù)右手法則確定，基礎(chǔ)坐標(biāo)系y 軸平行指向手指， z 軸垂直手掌向上。其它坐標(biāo)系的y 軸為相鄰兩坐標(biāo)原點(diǎn)的連線方向，z 軸垂直連線向 上。手指內(nèi)收夕b 展關(guān)節(jié)坐標(biāo)系相對基礎(chǔ)坐標(biāo)系的距離為l m ，偏角為0 m ，手指各連桿長 度為l i ( i = o ，1 ，2 ，3 ) ，手指相鄰連桿之間的夾角為0 i ( i = o ，1 ，2 ，3 ) 。根據(jù)空間機(jī) 構(gòu)學(xué)理論，各相鄰坐標(biāo)系之間的變換矩陣為： 一a f = c o s o f s i n0 f c o s1 3 f l s i n o fs i n p “ 0 一s i n o f c o s o fc o s p ，_ l c o s 0 ，s i np ，一l 0 式中： z 一相鄰連桿之間的距離； ，f - l 連桿長度； p h 一為相鄰連桿之間的扭角； o s mp “ c o s p “ o 0 i 一為相鄰連桿之間的夾角； 由圖2 8 易得食指坐標(biāo)系的d h 參數(shù)如下表： 表2 1 食指坐標(biāo)系d h 參數(shù) 0 l - d fs i n1 3 f 一1 d fc o s l 3 f - l 1 t a b l e 2 1d hp a r a m e t e r so f i n d e xf i n g e rc o o r d i n a t es y s t e m ( 2 2 ) 新型氣動力反饋數(shù)據(jù)手套的設(shè)計(jì)與研究 d h 參數(shù)分別代入式( 2 1 ) 中，即可分別求得坐標(biāo)系之間的變化矩陣。 坐標(biāo)系0 相對于坐標(biāo)系m 的轉(zhuǎn)換矩陣為： o a 聊= c o s o o s i n o o 0 o s i n o o c o s o o o 0 坐標(biāo)系l 相對于坐標(biāo)系0 的轉(zhuǎn)換矩陣為： 1 a o = c o s o l o s i n o l o s i n o l o c o s o l o 坐標(biāo)系2 相對于坐標(biāo)系1 的轉(zhuǎn)換矩陣為： 一s i n 0 2 c o s 0 2 o o 坐標(biāo)系3 相對于坐標(biāo)系2 的轉(zhuǎn)換矩陣為： 3 a 2 = c o s 0 3 s i n 0 3 o o s i n 0 3 c o s 0 3 o o ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) 根據(jù)矩陣乘法可以計(jì)算得出指端相對于手掌的腕關(guān)節(jié)基礎(chǔ)坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣： 3 a , = o a , 1 a o2 a i3 a 2 將式( 2 3 ) 、( 2 4 ) 、( 2 5 ) 和( 2 6 ) 代入式( 2 7 ) 得： 3 么肌 ( 2 7 ) 二三：三：蘭- - c s 。7 。c ，0 2 c s l 。2 c + 。2l+lc，o。csl。c+。乙一s