力触觉再现系统的稳定性问题研究

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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。
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