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原文传递交互式自行车模拟器运动及力觉提示系统研究

论文题名：	交互式自行车模拟器运动及力觉提示系统研究
关键词：	自行车;交互式模拟器;力觉提示系统;运动提示系统;人机交互;逼真模拟;优化设计
摘要：	交互式自行车模拟器集计算机技术、机器人技术、传感技术以及人因工程等多项技术于一体，它以运动提示子系统、力觉提示子系统以及视觉和声效子系统作为人机交互的接口，通过接收和处理操作者发出的操纵信号，驱动各子系统产生相应的协调动作，以提供给驾驶者运动、力觉、视觉和听觉等全方位的感官刺激，实现对自行车驾驶的逼真模拟。交互式自行车模拟器充分体现了虚拟现实技术的交互性、沉浸感以及构想的特点，是一种典型的人在回路中的虚拟现实系统。通过对交互式自行车模拟器及其子系统的研究与开发，可以为虚拟现实环境中人－虚拟环境交互手段寻求新思路，同时它也可作为一种很好的虚拟现实技术研究工具。本文以交互式自行车模拟器的运动和力觉提示子系统为研究对象，首先建立了自行车－人体系统的稳定动力学模型，为模拟器子系统的构建提出要求和依据，然后针对运动提示系统主机构的优化设计以及力觉提示系统的开发进行了研究，并最后讨论了模拟器系统的系统集成问题。首先，通过对人－车系统整体以及后轮、把手以及前轮等部件的运动分析，采用牛顿－欧拉方法建立了自行车－人体系统的稳定动力学模型。该模型不但考虑了风阻力、地面摩擦阻力、路面坡度等外界因素的影响，还将操作者的多种控制作用，如踩脚踏板、转动把手、倾斜上身和刹车，视为模型的重要组成部份。所建立的自行车－人体系统动力学模型为一个包含21个未知量和15个独立方程的系统，它的可解性来自于传感器对系统当前状态的获取。自行车－人体系统动力学模型除了能用于模拟器实现仿真计算，实现模拟器子系统的构建和驱动，还可辅助于自行车稳定性分析和结构参数设计。论文通过数字仿真分析，一方面验证了所建模型的正确性，另一方面也说明了该模型在分析自行车自稳定性上的作用。其次，论文给出了用牛顿－欧拉方法建立运动提示系统主机构－Stewart平台动力学模型的详细过程。该过程从分析运动支链的运动出发，然后通过约束关系将其与动平台的运动方程联系起来，并最终给出了机构递推形式的动力学模型。对该递推模型作进一步分析，将力与加速度表示成显示关系式，从而推导出基于操作空间和基于关节空间的封闭形式动力学模型。论文通过多条与自行车运动相符的运动轨迹的仿真分析，验证了所建模型的正确性，说明了运动支链是系统整体动力学中不可忽略的组成部份，并为驱动器的选用提供了参考。第三，为了提高运动提示系统主机构的动态性能，在所建立平台动力学模型的基础之上，论文提出基于动力学的机构优化设计方法。这种方法以驱动力为优化指标，既克服了采用运动学指标进行设计不能满足系统动态性能的缺点，又全面考虑了影响系统动态性能的各种因素，因而对并联机构的设计具有一定参考意义。采用这种方法对机构进行结构参数设计，一方面优化了机构的动力学性能，避免了奇异性和病态情况的出现，从而简化了系统的控制难度，另一方面它也为驱动器的选用提供了更加具体的依据。第四，力觉提示系统在虚拟现实系统中最能体现人的主观能动性，是交互式自行车模拟器不可缺少的部份。为了模拟出自行车驾驶过程中的运行阻力，在分析自行车运行特点的基础之上，论文设计了一套简单的力觉提示装置，并对它们的工作原理进行了详细介绍。力觉提示装置以直流力矩电机作为驱动器，以电枢电流为控制量，实现阻力矩的间接控制。其中脚踏板力觉提示装置仅提供单向阻力矩，而把手力觉提示装置则可实现双向主、被动力提示。针对这种简单机械装置可能带来的问题，论文通过对自行车行驶过程进行分析，提出了相应的软硬件解决方案。通过对力觉提示系统的研究，实现了自行车模拟器的力觉提示手段，并为虚拟现实系统用力觉提示方法的探索提供了新思路。最后，系统集成问题是决定模拟器逼真程度和性能的关键。为了能将各子系统组合为一个完整的模拟器系统，论文最后探讨了包括控制系统体系结构、子系统任务分配、信息交互以及传输延迟补偿在内的系统集成问题。针对交互式自行车模拟器多任务、实时性的特点，采用了分散式控制模式，将各个控制任务分配到不同的子控制器中，同时确定了各子控制器之间的通讯方式和传输的数据。通过对各项实验研究，说明运动及力觉提示系统设计的合理性，它们能与视觉及声效系统有效集成并对自行车驾驶进行逼真模拟。论文的主要研究内容是交互式自行车模拟器运动和力觉提示子系统的研究与开发，这两部份子系统已经成功应用到模拟器系统中，并接受了多名测试者的操作和测试。论文所涉及的项目-上海市科委重大项目《UNIX环境下VR系统关键技术研究及应用系统开发》已于2005年4月通过相关专家组的验收。
作者：	印松
专业：	机械电子工程
导师：	殷跃红
授予学位：	博士
授予学位单位：	上海交通大学
学位年度：	2007
正文语种：	中文