力反馈手套

RMⅡ-ND力反馈数据手套
目录
1. 引言 2. 背景介绍 3. RMⅡ-ND力反馈数据手套 4. RMⅡ-ND的控制 5. 实验结果 6. 总结
引言
随着计算机以及传感器技术的发展，使 人们的生活，工作得到了极大的便利。其中， 虚拟技术使人们不需要再耗费大量的时间， 精力去制造实体，只通过虚拟环境来感受产 品的性能优劣、质地好坏等，大大节省了人 力物力。
但是手套重量达到350g，可能会由于手 臂的杠杆效应产生疲劳，不适合操作者长时 间佩戴。由于摩擦和滞后的原因， CyberGrasp的机械带宽处在一个相对较低40 赫兹。它比罗格斯更复杂，因为它需要一个 单独的CyberGlove感应手套来测量手指的位 置。 下图列出了RMⅡ-ND与CyberGrasp的 一些特点。
Байду номын сангаас
背景介绍
虚拟现实(Virtual Reality，简称VR，又 称灵境、幻真)是近年来出现的高新技术，也 称灵境技术或人工环境。 虚拟现实是利用电脑模拟产生一个三维 空间的虚拟世界，提供使用者关于视觉、听 觉、触觉等感官的模拟，让使用者如同身历 其境一般，可以及时、没有限制地观察，感 受三度空间内的事物。
嵌入式PC是233Hz，具有PC104总线的 奔腾主板，磁盘存储器，IDE，VGA和以太 网接口。它是用来作为控制器（在手套正常 运作），并作为开发平台，测试和调试控制 软件。
并具有一个16输入/8输出通道的A/D/A 板安装在PC104总线上。其中12位A/D输入 读取手套位置传感器信息，而其余4个A/D输 入是读取压力控制传感器的信息。一半的 D/A输出通道控制气动阀门的关闭，而另一 半控相应的气动阀门的开启。
力反馈 当使用者触碰虚拟物体时，就会感受到 反作用力。相互作用力有两种模式：内力与 外力。由以下公式获得：
其中，x是虚拟世界中，手与物体接触后 产生的位移；虚拟模型的参数：刚度k，粘度 b，补偿力u（可以是手套机械结构的摩擦力 ，或者外部收到的恒力或变力）。
实验结果
RMⅡ-ND力反馈数据手套的机械结构部 分重大约为80g，与手套相连的电线（长约 2m）、气动管道等总重105g。使用者在佩戴 时不会感到疲劳。 实验装置有：手套本体，一个软件控制 的压力调节器，驱动器和用于测试系统机械 带宽的测压元件。测压元件是安装在活塞底 部以记录指尖受到的力。
操作者与虚拟现实系统的交互是通过人 机交互设备来实现的。目前主要的人际交互 设备有三维鼠标、立体眼镜、数据头盔、力 反馈器和力反馈数据手套等。
力反馈技术（Force-Feedback）是虚拟 现实技术中对各种感官再现的一个重要组成 部分，用于再现人对于虚拟环境中力觉的感 知。力觉或触觉是人体感官中唯一具有双向 信息传递能力的信息载体。
虚拟模型 我们通过人机交互设备在电脑上产生人 手的三维模型。由气缸活塞的运动距离D，手 指的内收/外展角度θ y和气缸与基座的角度 θ p。通过以下公式来获得各个关节的弯曲角 θ 1θ 2θ 3。
由于方程组（1）-（3）是非线性的，难 以找到精确解的解。所以，可以通过查找表 来解决这个问题。该表具有两维数组D和θ p 的索引值，并在每个单元含有相应值θ 1，θ 2。 用最小二乘法来计算各值。根据此近似方法 计算的指尖位置误差为13mm。
与基座相连的驱动器运动范围是-10⁰— 120⁰ ，与正常的手指关节相近。活塞具有正 负60⁰的旋转角度，28-44mm的伸缩范围。 对于食指来说，通过活塞的移动，最大外展 弯角可达45⁰。由于结构原因，它有一个显著 的缺点：只拥有正常活动范围的55%左右。
驱动器结构 每个驱动器有2个霍尔传感器来测量气缸 相对于基座的内收/外展和弯曲/伸展角度。
每个霍尔传感器都有两个稀土材料制成 的磁极，来提供稳定磁场；霍尔传感器的测 量精度为3mV/Gauss；同时，A/D转换器的 精度为1.25mV/5V；所以，理论上的整体角 度测量精度可达0.075⁰。
同时，手套上还有一个红外传感器来测 量气缸的位移。它有一个发射器和两个接收 器，安装在气缸底部，通过装在活塞上镜子 的反射来获得数据。
借助于虚拟现实系统中的力觉交互设备，人们可 以真正实现按照人类肢体语言进行的人机自然互动和 信息交流，通过“触摸”屏幕上看到的虚拟物体，获 得和触摸实际物体时相同的力感和运动感，从而产生 更真实的沉浸感。
力反馈数据手套，通过各种传感器，把 人手姿态准确实时地传递给虚拟环境，而且 能够把与虚拟物体的接触信息反馈给操作者。 使操作者以更加直接，更加自然，更加有效 的方式与虚拟世界进行交互。
1999美国Virtual Technolog公司开发的 CyberGrasP力反馈数据手套
2000日本东京大学设计sensor Glove II外骨架 式力反馈数据手套
2001中科院研制的Cas—Grasp力反馈数据手套。
2007东南大学研制了一种基于磁流变效应的力 反馈数据手套。
2008哈尔滨工业大学设计的基于气动人工肌肉 的外骨架式力反馈数据手套。
3.活塞固定在一个三自由度球铰内。这种安 装消除了由于气缸与轴之间的轴线误差造 成约束，降低了轴与气密封缸盖之间的摩 擦。
RMⅡ-ND的气动驱动具有高冲程/筒长 比（45%，相对于传统的25%-35%），低摩 擦，负重比高，结构紧凑等优点。 每一个手指的驱动器重为80g（包括传 感器，手指末端）。玻璃气缸包裹在薄铝管 内。铝管支撑着气缸，对气缸侧提供优良的 冲击力保护。这样使气缸能承受20N的横向 载荷，以及50N的轴向载荷。
RMⅡ-ND力反馈数据手套
RMⅡ-ND力反馈数据手套拥有一个L型 的基座以及四个关节驱动器。基座内部有四 个高柔性的PVC气动管道，这些聚氯乙烯气 动管的弯曲与用户的手指运动的导致可以忽 略不计的指尖15-20mN阻力。
RMⅡ-ND力反馈数据手套
每个手指具有三个传感关节和5个自由 度。驱动器通过2自由度的球铰与基座相连； 气缸可绕底座左右旋转和上下摆动，有2个 自由度；再通过1自由度的关节与末端相连。 为了减少阻力，所有旋转轴都是装在两 个小型轴承上。整个手套有24个小型轴承。
力反馈数据手套是传统数据手套和产生 反馈力的驱动器的结合体。简单地说，也就 是传感器和驱动器的结合体。 力反馈数据手套在虚拟现实系统中主要 有两个作用：一是将传感器测得的人手的位 姿在虚拟场景中虚拟手上再现；二是将虚拟 手在虚拟环境中的虚拟力通过驱动器真实地 反馈到人手上。
发展历史及典型设计
1996美国罗格斯(Rutgers)大学设计了一种基于 力矩电机驱动的LRP外骨架式力反馈数据手 套。
RMⅡ-ND的控制
触觉手套是由触觉控制接口完成控制。 这种布置分散了计算量，并允许与主机做更 快的图形和物理模拟计算。控制主要包括两 部分：电路系统和伺服控制。 电路系统部分有：嵌入式PC机、气压管 道、力反馈控制以及传感器读数显示板。
触觉的控制界面如图所示。这由一个嵌入式奔 腾电脑、气动阀门、以及读取手套压力控制传感器 的电路板组成。
总结
力反馈数据手套的本质是在获取人手运 动姿态的同时，根据抓取物体的状态施加虚 拟力到相应的受力关节，产生实际人手抓取 的力觉感受。因此，未来力反馈数据手套的 发展要遵循小体积、低摩擦、佩戴安全舒适 等原则。
嵌入式计算机使用脉冲宽度调制（PWM） 技术控制电磁阀。脉冲持续时间的计算是使 用安装在阀门输出管道上汽缸压力传感器检 测，所需的压力由主机决定。该电磁阀的最 大流量为200L / min，开启阀口（或关闭） 约2毫秒的响应时间。
与嵌入式PC主机之间的通信采用RS232串口 线，波特率为38400-115200比特/秒，这些数据 包括：关节角度（传感器的原始数据，如位移传 感器测量，屈曲角度和伸展），测量力和设备的 状态。 通信流量是不对称的，主机读取的数据去比 发送到控制接口的数据多。在连续循环模式下， 主机发每次送到接口的数据包大小为1-6个字节， 而从控制接口发送到主机接口的数据包大小为 14-20个字节。
实验测试的红外传感器的精度为 0.25mm，活塞精度小于0.5mm。实际的角 度测量精度达到0.45⁰，这样的精度误差小 于总的运动行程的1.5％。
由于CyberGrasp是当时唯一一款商业化 的力反馈数据手套，所以与之做比较来检验 RMⅡ-ND的性能。CyberGrasp的手指关节 弯曲角度由独立数据手套上的电阻式传感器 测得，驱动器由14个高精度直流电机和传输 机构组成，位置精度可达0.5⁰，能对每个手 指提供持续最大12N的反馈力。
电子板在接口电路中对手套的的模拟信 号进行放大和过滤。对红外传感器和霍尔效 应传感器的信号进行采样，然后进行A/D转 换。压力传感器模拟信号放大后首次转换为 数字值。模拟输出的D/A板被放大被应用到 气动阀门的控制电路。
伺服控制 如下图所示，奔腾PC在嵌入式触觉控制 接口中执行三项任务：传感器的读数，力反 馈控制，并与主机通信。数据从手套传感器 以一个连续的循环读入，以约1000次每秒的 频率更新。
摩擦对于任何力反馈设备来说都是很大 的干扰，它会影响设备的精度和运动范围， 从而使虚拟现实产生失真。本设计以下几方 面来减少摩擦： 1.两种传感器都是非接触式的，这样在测量 过程中就不会因为产生摩擦而影响精度。 2.气缸的材料为玻璃—石墨，内壁光滑，使 得手套摩擦力很低，约为14mN，而手套的 最大输出力可达16N。