【文章荐读】中科院自动化所侯增广研究员：七自由度触力觉交互设备的研究与评估

文章导读

在人类与外界环境的物理交互中，触觉是实现感知最重要的感官。不同于视觉和听觉，触觉能够完成信息的双向流动，操作者能够通过触感来调节交互作用力的大小和方向。随着人机交互技术的不断成熟，触力觉交互设备（haptic interface）被广泛应用于3D虚拟现实场景，包括医学仿真、虚拟装配、科学研究等，为虚拟现实的交互者提供身临其境的触摸感。

中国科学院自动化研究所复杂系统管理与控制国家重点实验室侯增广研究员团队从触力觉交互设备的机构设计、运动学和动力学的建模分析出发，提出了一种带重力补偿的阻抗控制器，基于物理样机模型完成了该触力觉交互设备的相关性能分析。

人手在运动功能和感知功能上具有非常大的不对称性，即人类通过低频的运动与环境交互却能够感知由此产生的高频信号。而触力觉交互设备作为连接用户与虚拟环境的媒介，其结构设计和系统控制都面临诸多挑战。

触力觉交互设备是一个完整的机械臂系统，常见的机械结构包括并联的Delta结构、四连杆结构以及串联的连杆结构。本文采用了串并联混联的结构构型，在机械结构上实现了平移和旋转的解耦。基于结构构型运动学和动力学分析，设计了带重力补偿的阻抗控制器，实现了三个平动自由度和一个夹持自由度的力反馈功能。控制器结构如图1所示。

图1

为了快速评估重力补偿算法的效果，本文采用ADAMS模型进行仿真验证。通过ADAMS模型计算结果和数学模型计算结果的对比，验证了重力补偿算法的有效性。为了对该控制器的控制性能进行相关分析，本文对七自由度触力觉交互设备的物理样机进行了实验分析。从重力补偿、输入输出特性以及输出力跟踪性能三方面进行了实验研究。该设备在X轴方向的输入输出特性曲线如图2所示。实验结果表明，该阻抗控制器能够实现反馈力的精确控制和输出。

图2

文章信息

Jian-Long Hao, Xiao-Liang Xie, Gui-Bin Bian,  Zeng-Guang Hou,  and Xiao-Hu Zhou, Development and evaluation of a 7-DOF haptic interface,  IEEE/CAA Journal of Automatica Sinica,  vol. 5, no. 1, pp. 261-269, Jan. 2018.

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作者简介

           侯增广

中国科学院自动化研究所研究员，博士生导师，国家杰出青年基金获得者，万人计划入选者，复杂系统管理与控制国家重点实验室副主任。

来源： JAS自动化学报英文版

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