学位论文 > 优秀研究生学位论文题录展示

力触觉再现系统的稳定性问题研究

作　者: 赵浩
导　师: 陆熊
学　校: 南京航空航天大学
专　业: 测试计量技术及仪器
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
分类号: TP391.9
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
下　载: 15次
引　用: 0次
阅　读: 论文下载

内容摘要

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。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-6
目录  6-12
第一章绪论  12-20
  1.1 引言  12
  1.2 力触觉再现系统的定义  12
  1.3 力触觉再现系统的应用及研究现状  12-15
    1.3.1 力触觉再现系统的应用  12-14
    1.3.2 力触觉再现系统的研究现状  14-15
  1.4 力触觉再现系统稳定性的研究意义及现状  15-18
    1.4.1 稳定性的重要性  15-16
    1.4.2 稳定性的研究现状  16-18
  1.5 论文安排  18-20
第二章力触觉再现原型系统的构建  20-28
  2.1 力触觉再现系统的软硬件工作环境  20-23
    2.1.1 计算机配置  20
    2.1.2 力触觉再现设备  20-22
    2.1.3 OpenGL 函数库  22
    2.1.4 CHAI3D 函数库  22-23
  2.2 力触觉再现系统的设计实现  23-26
    2.2.1 力触觉再现系统软件总体设计  23-24
    2.2.2 虚拟物体模型建立  24-25
    2.2.3 碰撞检测  25
    2.2.4 作用力生成与输出  25-26
  2.3 本章小结  26-28
第三章基于并行计算的力触觉再现稳定性方法研究  28-50
  3.1 基于多核 CPU 并行计算  28-29
  3.2 基于系统时间查询的多线程并行计算方法研究  29-42
    3.2.1 多线程方法的实现方案设计  30
    3.2.2 力触觉再现系统中作用力计算循环控制算法  30-36
    3.2.3 基于系统时间查询多线程并行算法软件流程与设计实现  36-38
    3.2.4 不同复杂度下的作用力计算分析  38-42
  3.3 实验及结果分析  42-49
    3.3.1 多线程下最大再现刚度  42-43
    3.3.2 相同刚度系数下不同线程虚拟墙性能分析  43-49
  3.4 本章小结  49-50
第四章力触觉再现稳定性控制方法的研究  50-62
  4.1 力触觉再现系统稳定性的控制方法研究  50-52
    4.1.1 基于无源观察/控制器的控制方法（PO/PC 方法）  51
    4.1.2 基于能量补偿控制的控制方法  51-52
  4.2 基于作用力预计算的力触觉再现方法研究  52-53
    4.2.1 作用力的预测  52-53
    4.2.2 实验结果分析  53
  4.3 改进的作用力预计算方法  53-60
    4.3.1 算法设计流程  55-59
    4.3.3 实验结果分析  59-60
  4.4 本章小结  60-62
第五章操作者特性对力触觉再现系统稳定性影响的研究  62-76
  5.1 力触觉再现系统中操作者手臂的阻抗特性  62-65
    5.1.1 人类手臂的力学特性  62
    5.1.2 操作者手臂阻抗特性  62-65
  5.2 操作者手臂阻抗特性对系统稳定性影响的研究  65-69
    5.2.1 虚拟墙模型构建  65-67
    5.2.2 系统软件流程设计  67-69
  5.3 实验结果与分析  69-74
    5.3.1 干扰力与墙面平行的虚拟墙模型  69-72
    5.3.2 干扰力与墙面垂直的虚拟墙模型  72-74
    5.3.3 实验分析与总结  74
  5.4 本章小结  74-76
第六章总结与展望  76-78
  6.1 工作总结  76
  6.2 对于未来研究工作的展望  76-78
参考文献  78-82
致谢  82-83
在学期间的研究成果及发表的学术论文  83-84
附录  84-92
  附录1 作用力计算部分相关函数  84-86
  附录2 循环控制部分相关函数  86-89
  附录3 交互过程中的实验数据（节选）  89-92

力触觉再现系统的稳定性问题研究

内容摘要

全文目录

相似论文