表面触觉再现技术现状和评估方法

表面触觉再现技术可通过裸指触摸屏幕来感知物体特性,在多媒体终端实现高效自然的交互,具有巨大的研究价值,因而得到国内外研究学者的广泛关注。然而,现有研究多集中于力觉交互设备,未对表面触觉再现设备进行系统分析,且对设备的各项性能评价过于主观,未给出客观可信的表面触觉再现技术评估标准。首先,在充分研究现有表面触觉再现技术的基础上,重点对近十年表面触觉再现技术进行补充和完善。将表面触觉再现设备分为振动式、压力式、压膜式、静电力式和电刺激式,重点从工作原理、装置构成和性能指标等方面对典型设备进行详细分析和介绍,总结设备在触觉表达方面存在的优缺点。然后,针对现有评价方式过于粗糙和主观的问题,提出一种表面触觉再现技术的评估方法。通过制造难度、工作区间等7种评价指标全面评价设备的性能,采用专家打分法和层次分析法获得振动式、压力式、压膜式、静电力式4种设备在每种评价指标下的权重,并对4种设备在多媒体终端应用中的性能优劣进行排序,为不同领域下选择和评价表面触觉再现设备提供参考。最后,总结现有设备的不足,讨论其未来的研究和改进方向。      

机械振动对平面触觉感知特性的影响

触摸屏上的触觉再现技术增加了人机交互的真实感和丰富性。在触觉再现中,掩蔽效应改变了触觉感知特性（绝对阈值和分辨阈值）,影响了触觉渲染模型的准确性及触觉再现效果的真实性。基于机械振动、空气压膜与静电力三元融合的触觉再现装置,采用“三下一上”的实验方法,研究5种不同幅度的机械振动触觉反馈作为掩蔽刺激时,空气压膜触觉反馈感知特性的变化。与静电力触觉反馈作为目标刺激时感知特性的变化进行比较,得出如下结论:在绝对阈值方面,当机械振动驱动电压幅度由0 V增加到100 V时,空气压膜绝对阈值由34.30 V增加到46.41 V,增加了35.31%,增长幅度为静电力绝对阈值增长幅度的14.95%;在分辨阈值方面,当机械振动驱动电压幅度由0 V增加到100 V时,空气压膜分辨阈值在（15.21±0.67）V范围内浮动,变化趋势与静电力触觉反馈基本相同。      

3PRS/UPS冗余驱动并联机器人刚度特性分布

设计提出了一种采用冗余驱动的3PRS/UPS三自由度并联机器人,并建立分析其机构模型.基于螺旋理论,对并联机器人进行运动学分析,通过分别针对机构的驱动和约束建立了雅可比矩阵,最后整合建立了包含冗余驱动在内的全雅可比矩阵.利用虚功原理,结合并联机器人驱动副和约束副的柔度影响,推导得出了机构全刚度矩阵.同时,分析了机构在给定静载荷条件下的变形情况,总结出机构的空间变形分布规律.使用刚度矩阵的最小、最大特征值和运动刚度指标（KSI,Kinematic Stiffness Index）为机构刚度评价指标,对比和分析了引入冗余驱动前后对并联机器人刚度特性分布的影响,得出冗余驱动支链的引入可提高并联机器人特定方向的刚度和改善刚度分布的结论,为冗余驱动并联机器人优化设计和开发应用奠定基础.      

舵叶固定式液压球形关节运动学及性能分析

针对球面运动机构驱动方式问题,提出了一种新型的二自由度液压驱动球面运动关节机构,该机构利用超全周转动马达及舵叶摆动马达作为驱动,采用了滑轨支撑框架位置测量系统,可以实现超全周转动;给出了两驱动马达各自的油路设计方案,在机构的不同部位采取了合理的密封方法;由机构的工作原理推导了正逆运动学方程及速度雅可比矩阵,得出了机构的奇异位形;分析了机构的灵巧度性能指标,通过仿真得到了机构性能较优时的工作空间.该球形关节机构具有结构紧凑、运动精度高、负载大、并且能够实现全方位输出的特点.     

考虑容错的平面二自由度过驱动机构力矩分配

针对过驱动机器人的故障驱动器数目不多于驱动冗余个数的情况,探讨如何进行故障前后的驱动力矩分配以保证机构具有容错能力.以平面二自由度过驱动并联机器人为研究对象,基于达朗伯原理和等效力方法建立其动力学模型,在此基础上分析了部分驱动器故障后机构的动力学方程,并进一步推导故障后容错力矩再分配方法.为减小故障后驱动力矩瞬时突变对机器人末端操作的影响,提出以故障前后的力矩差值平方和最小作为优化目标来进行过驱动机构力矩分配的方法.通过数据计算比较了采用传统方法和优化方法的各关节驱动力矩的突变量之和,结果表明所提出的优化力矩分配方法可以改善容错性能.      

飞机侧壁部件装配调姿机构的设计与分析

分析了等曲率和变曲率2类飞机侧壁部件的几何特点以及对柔性装配调姿的功能需求,设计了一种新型的面向大型飞机侧壁部件数字化装配的柔性工装机构;该机构基于精密三坐标定位器对侧壁部件进行装配调姿,可等效为6自由度并联机构,通过4条支撑臂对侧壁部件进行夹持;定位器呈前后2排、前低后高布局,能够实现对侧壁部件空间6自由度位姿调整;对工装机构进行了位姿反解,根据侧壁部件的初始位姿和目标位姿反向求解出各支撑臂的关节变量,并利用计算机仿真模型进行了验证,证明了反解算法的正确性,为侧壁部件调姿运动的精确控制奠定了基础.      

用于灵巧手的新型两自由度关节机构

提出并设计完成了一种用于灵巧手的两自由度关节机构,该机构用于连接灵巧手的下指节与掌骨节,使得下指节相对掌骨节同时实现屈曲和侧展2个运动.在完成两自由度关节机构设计的基础上,对该机构进行了运动学分析,并应用虚拟样机技术进行了验证.两自由度关节机构的应用将对提高灵巧手的动力学特性和简化灵巧手的结构设计起到重要的作用.      

冗余驱动直角坐标串并联机构动力学对比分析

对全新结构的万能直角串并联机构进行冗余驱动设计,通过建立动力学方程和欧拉方程,对机构的动平台各输入铰点处的受力状况进行了全面的分析,已知机构在给定空间位置和姿态下的输出端的受力、主轴的运动参数、连杆的运动参数、水平和垂直运动滑块的运动参数时,可以反向求解机构的动力学反解,通过计算机语言编程计算和绘图得到直观有效的结果数据,由此得知冗余驱动在改善原机构的动力学特性方面的良好表现.      

面向生物工程的微操作机器人机构型综合研究

首先针对微操作的特点,提出了面向生物工程的微操作机器人机构选用与设计准则.列举了各种可能的3自由度并联机构型式,运用螺旋理论对3自由度平动并联机构型综合的机理作了分析与解释.在此基础上,对3自由度平动并联机构进行了型综合.定性地分析了各类机构作为微动机器人机构所具有的优缺点,从而选择出适合用于生物工程领域微操作的机型.最后给出了机构的CAD模型和实体模型.      

基于驱动或结构冗余的并联机器人容错方法

研究了并联机器人利用驱动冗余进行驱动器故障容错及利用结构冗余进行关节故障容错的方法.结合冗余驱动并联机构的力矩分配问题的多解性,分析了部分驱动器故障后在剩余正常工作驱动器之间重新分配驱动力矩以实现容错的方法.结合结构冗余并联机构的特点,分析了放弃部分结构自由度以完成操作任务的方法.从运动学和动力学角度讨论了两类冗余机器人的特点及容错的可能性,以一种平面三自由度并联机构为实例,针对驱动器及关节故障分别分析了故障后机构运动学和动力学性能的变化,验证了采用驱动及结构的冗余进行容错的可行性.     

空间光学遥感器高精度6-DOF并联平台设计与实现

高精度六自由度并联平台可精密调整次镜位姿,实现空间光学遥感器地面光学装调及光学像差在轨主动校正。为解决研制高精度并联平台的多指标多约束结构优化设计及高分辨力驱动支链设计2个难点,建立了六自由度并联机构逆解数学模型及ADAMS参数化模型,确定了结构优化目标函数,结合支链长度、铰链转角等约束进行了结构优化设计,得到并联机构结构参数及驱动支链分辨力需达到60 nm的需求。基于此需求,设计了基于“无刷直流电机+滚珠丝杠+光栅尺”的驱动支链,采用PI控制律实现高精度消静差闭环伺服控制,使驱动支链分辨力达50 nm。对并联平台精度进行光学测试,结果表明,平台带载平移分辨力为0.2μm,转角分辨力为1″,满足指标要求。该平台已成功应用于空间相机的地面光学装调及像差主动校正实验,为在轨应用奠定了理论与实践基础。     

含间隙非线性二元翼段的系统辨识

在实际包含间隙非线性的复杂结构中,由于间隙不易或无法测量,难以建立准确描述结构特性的动力学模型;即使间隙得到准确测量,也难以获得结构的标称线性系统的模态参数。为此,利用条件逆谱法和时域非线性子空间法,通过非线性系统辨识获得间隙非线性系数,同时获得非线性结构的标称线性系统的频响函数。以一个包含间隙非线性的二元翼段为例,通过数值方法模拟该二元翼段的地面振动试验,利用条件逆谱法和时域非线性子空间法开展该结构的非线性系统辨识。结果表明:两种方法均可准确地辨识结构的标称线性系统,条件逆谱法利用光滑函数近似,时域非线性子空间法利用多个分段线性函数重构,辨识得到间隙非线性系数。      

空间望远镜用黏滞液体阻尼隔振器研究

为抑制卫星平台对天基望远镜的扰动, 需进行减振设计. 设计了一种空间望远镜用黏滞液体阻尼隔振器, 具有密封可靠、空间环境适应性好等特点. 根据流固耦合相关理论建立阻尼参数模型, 在此基础上实现了隔振器结构设计, 并对核心元件弹簧片进行参数优化设计, 加工制作出一套原理样机. 对该样机的刚度和阻尼性能进行了仿真分析和实验测试. 结果表明, 该隔振器的刚度特性和阻尼特性理论分析结果均与实验结果吻合较好, 说明模型较为准确, 具有工程设计指导价值.      

基于Lagrange方程三自由度并联机构动力学研究

针对一种三自由度的并联机构采用Lagrange方程建立了动力学方程,得出了机构驱动力显式解.用计算机程序模拟了动平台做圆周运动时驱动力的变化情况以及机构简化所产生驱动力误差的大小,给出了可以对机构进行简化的条件.分析了机构的结构参数与驱动力的关系,为这种机构动力学特性的深入分析和结构优化设计提供了参考.      

2UPR-RRU并联机构及其运动学分析

针对航天制造中轻金属材料搅拌摩擦焊的焊接需求,提出一种以2UPR-RRU构型的1T2R三自由度并联机构为主要执行机构的焊接装备。基于螺旋理论分析了该构型在一般位型和特殊位型下的约束螺旋系和自由度性质,指出该构型是具有两转一移的全周自由度机构。建立2UPR-RRU并联机构运动学模型,利用闭环矢量法建立动平台位姿与各驱动支链的关系,推导其运动学的正反解;在正解过程中构造优化目标函数,采用粒子群优化（PSO）算法分析了位姿输出与驱动关节输入的关系,得到了驱动输入的精确解。基于输入/输出速度雅可比矩阵分析了机构的奇异性问题,指出该构型避免存在驱动奇异的条件,研究表明该机构具有较好的运动学特性和驱动特性,具备良好的应用潜力。      

航天员出舱可伸缩安全系绳设计与验证

随着中国神舟飞船系列任务和空间站建设任务的稳步进行，中国航天员将面临频繁的在轨出舱作业任务，航天员出舱活动范围将逐渐增大，作业位置也将频繁变换，传统安全绳已无法满足使用要求。提出了一种基于恒力矩弹簧驱动的航天员出舱可伸缩安全系绳设计方案，并优化设计方法。对可伸缩安全系绳的核心部分——驱动单元进行设计，研制航天员出舱可伸缩安全系绳样机，并完成功能性能、环境适应性和驱动单元寿命试验验证。结果表明:所提方案可顺利完成钢丝绳收放，且实测收绳力、放绳力与理论值基本吻合。方案具有体积小、质量轻、可耐大量级振动和高低温环境等优点，其驱动单元满足10 000次的长寿命使用要求，可用于后续工程产品中。      

Evolution of a phase separated gravity independent bioreactor.

The evolution of a phase-separated gravity-independent bioreactor is described. The initial prototype, a zero head-space manifold silicone membrane based reactor, maintained large diffusional resistances. Obtaining oxygen transfer rates needed to support carbon-recycling aerobic microbes is impossible if large resistances are maintained. Next generation designs (Mark I and II) mimic heat exchanger design to promote turbulence at the tubing-liquid interface, thereby reducing liquid and gas side diffusional resistances. While oxygen transfer rates increased by a factor of ten, liquid channeling prevented further increases. To overcome these problems, a Mark III reactor was developed which maintains inverted phases, i.e., media flows inside the silicone tubing, oxygen gas is applied external to the tubing. This enhances design through changes in gas side driving force concentration and liquid side turbulence levels. Combining an applied external pressure of four atmospheres with increased Reynolds numbers resulted in oxygen transfer intensities of 232 mmol O2/l/h (1000 times greater than first prototype and comparable to a conventional fermenter). A 1.0 liter Mark III reactor can potentially deliver oxygen supplies necessary to support cell cultures needed to recycle a 10 astronaut carbon load continuously.     

基于离散能量法的牙体预备仿真力觉渲染算法

在力觉交互的虚拟现实系统中,力的逼真度和系统稳定性是系统的两个重要性能.在力觉交互虚拟现实牙医培训系统中,通过力反馈设备作用在医生手上的力直接影响培训质量.采用四面体剖分建立人类牙齿的实体模型.结合经验公式和实验数据,提出了一种牙体预备虚拟切削力模型,研究了保证系统稳定性和虚拟力逼真度的算法,并利用离散能量法对等采样间隔的切削力序列进行渲染处理,使得力信号在力的逼真度和系统稳定性之间得到优化解,较好地消除了力序列中的高频振动,从而改善了力觉交互虚拟现实牙医培训系统的性能.