力反馈用途
力反馈设备在 CHAI 3d 创建的的虚拟环境进行交互,操作者通过控制力反馈设备末端动平台手柄控制虚拟环境小球的位置和速度,当虚拟小球与虚拟创建中的方块相接触时,计算机根据算法计算出接触力,以及夹持情况,同过力反馈设备和显示屏反馈给用户。


力反馈设备在力触觉反馈系统中具有特殊意义,用户直接感知反馈力信息,操作者通过力反馈控制手柄直输入运动指令,间接控制执行机器人或虚拟物体的运动。Force dimension力反馈属于并联结构,并联结构无累积误差,精度较高,运动部分重量轻,速度高,动态响应好,结构紧凑,刚度高等优点,除此之外它还具有较好的各向同性。力触觉交互的研究是人机交互领域的前沿技术,它将对人机信息交流和沟通方式都会产生深远的影响。力触觉反馈系统与可与从动端机器人连接,能够辅助人类完成各种工作任务,结合人的思想与机器人的执行能力,将机器人的应用推上新的高度。力触觉反馈系统结合虚拟现实技术,能够使操作者对虚拟环境中的物体进行操作,并感知虚拟环境中物体运动、力觉交互,实现虚拟力觉再现。基于机器人与虚拟现实技术的力反馈交互系统,在航空、医疗、军事、制造、娱乐等领域有着广泛的应用。
主要用途包括:
(1)医疗手术仿真模拟与远程实施
力触觉反馈系统可用于搭建医疗手术仿真模拟系统,利用虚拟现实技术和计算机图形技术,构建具有物理力学特性的人体组织、器官模型,通过力反馈设备实现与虚拟手术场景的交互,使得医务人员能够感受手术中的力变化。医生可以熟悉手术过程、并制定合理的手术方案,可反复模拟及训练手术过程,对提升医生的手术技能,减少操作失误,缩短手术时间,降低术间损伤等均具有十分重要的意义。通过传感器采集并反馈机器人与人体组织的交互力觉信息,增加医生对手术进行过程的判断,降低医生手术过程的疲劳。可用于医生手术的训练与实战,消除患者于医生的空间距离,降低手术费用。同时,对于一些特殊的手术环境或特殊的病患,如在具有放射性手术环境下或对患有高传染性疾病的病人进行手术,基于力触觉反馈系统搭建的手术平台,能够有效的保护医生的健康,防止术间医患交叉感染。
(2)制造装配业的仿真模拟及远程操作系统
在加工制造业中,设备的零件装配主要发生在两个阶段,一是三维实际时,通过三维软件定义约束,建立零件之间的装配关系,但这是基于视觉和理想几何形状的装配过程,很难直观的感受该过程的力。二是实体装配,等零件加工完成后,人工进行装配,劳动强度大,装配的精度不统一。搭建具有虚拟装配功能的力触觉反馈系统能够在计算机中对各零部件进行建模,定义零件的机械属性、配合关系等,通过力反馈设备完成虚拟装配,反馈装配过程中的交互力等,直观的反应出配合的合理性,为工艺设计提供编写依据;完备的虚拟装配交互系统可以让工人提前熟悉设备的装配过程,提高其技术能力,反馈设计问题等,可缩短产品开发的周期,以及降低产品的试验开发成本。搭建具有远程装配操作功能的力触觉反馈系统,能够通过力反馈设备操控执行机器人完成动作操作,并反馈零件重力、材质、硬度、纹理、碰撞力、装配阻力等物理性质,与视、听觉反馈组合指导完成组装过程。该系统可以采用机器人执行操作取代人工现场工作,降低工人的劳动强度,同时,该系统将人与装配场地的噪音、粉尘、辐射等有害因素隔离开来,大大改善了工人的工作环境,降低了工程事故对人员的伤害;人机分离,使得对操作环境的洁净度、精准度要求极高的设备更容易操作。
(3)危险工况的力交互远程操控系统
在许多不适应人员作业的危险工况下,如高温、高压、辐射、易燃、易爆等恶劣条件,需要使用远侧 控制机器人替代人员作业。基于力触觉反馈系统的远程操控系统,可以在这种环境下,通过力反馈设备向用户提供力触觉反馈信息,使从动端机器人精确的执行各种操作。如在拆弹中,对执行机器人的操作精准度非常高,力反馈设备反馈力觉信息,让操作人员感知细微的振动、推力、剪切力等,辅助配合视听觉信息,使其更好的融入操作环境,减少操作失误,增加拆弹的成功率。
4)多感官沉浸式娱乐系统
利用虚拟现实技术,通过构建一个虚拟世界,让用户参与其中,通过全景视觉、听觉,丰富的力触觉信息,如引力、加速度、振动、冲击、触感等物理信息,使得用户充分的融入虚拟世界,体验精彩刺激。在现在的娱乐行业中,已大量出现含力触觉信息反馈的游戏装备,但很大一部分力觉效果还不清晰,普遍是以震动作为力反馈的形式,逼真效果有限。具有复杂反馈形式、多感官共存的综合型娱乐系统将是未来娱乐交互系统的主要发展方向。
(5)基于事件预测与演练的模拟机系统在当前,模拟机训练已成为复杂机械设备操作学习的必要课程,如航空飞行器、潜水艇等驾驶。学员通过模拟机学习和掌握操作技能,熟悉驾驶环境,训练应对紧急突发事件的能力,使其在正式上机操作前,降低操作失误、经验不足而引发严重后果的风险,保障设备和人员的安全。模拟机需要向操作者输出各种感官信息,供其参考做出判断,力反馈信号能够让学员了解操作过程外解对设备的作用力大小,更好的判断设备当前的工作状况,同时,也使得在实验室的训练中,就可以很好的适应设备运行。利用虚拟现实技术与相关的专业实验数据,使得用户通过力反馈设备完成与该系统的双向力感交互,达到更为逼真的、有效的模拟状态。

力触觉反馈系统的广泛应用将在很大程度的改变着人类的生活、工作、娱乐的方式和习惯,提高人类的生活品质,进一步拓宽现实和虚拟世界的开发利用。
力反馈


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