畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告設(shè)計(論文)題目：靈巧型觸感交互裝置的設(shè)計學(xué)生姓名：學(xué)號：專業(yè)：所在學(xué)院：指導(dǎo)教師：職稱：2011年3月2日畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告1．結(jié)合畢業(yè)設(shè)計（論文）課題情況，根據(jù)所查閱的文獻(xiàn)資料，每人撰寫不少于1000字的文獻(xiàn)綜述：隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，機(jī)器人的應(yīng)用范圍在不斷拓寬。在太空探索、海洋開發(fā)、核工業(yè)等領(lǐng)域的實際需求，對機(jī)器人技術(shù)提出了更高的要求。特別是在危險環(huán)境，或是人們難以勝任的場合，更加迫切地需要機(jī)器人，從而推動了智能機(jī)器人的研究。工業(yè)機(jī)器人大多由機(jī)械臂和末端執(zhí)行器組成，前者主要提供大范圍的運(yùn)動和定位，后者與環(huán)境和對象作用，執(zhí)行預(yù)期的任務(wù)。傳統(tǒng)的工業(yè)機(jī)器人的末端執(zhí)行器存在著諸如靈活性差，感知能力低下，力的控制精度低等一些缺點。為了克服這些缺點，一種外形類似人手，功能多樣，既能進(jìn)行各種常見操作，又能穩(wěn)定抓持形狀各異的物體的特殊的末端執(zhí)行器被開發(fā)了出來，我們稱其為靈巧手[1]。相對簡單的末端執(zhí)行器，機(jī)器人靈巧手具有感知能力豐富、通用性強(qiáng)、能夠?qū)崿F(xiàn)滿足力封閉和幾何封閉的精確、穩(wěn)固抓取等優(yōu)點[2]。對機(jī)器人靈巧手進(jìn)行抓取控制主要有兩種方式：自主操作和遙操作。在目前的科學(xué)技術(shù)水平下，大多選擇遙操作，利用在本地的主操作手對遠(yuǎn)方的靈巧手進(jìn)行控制。在主操作手的控制下，機(jī)器人靈巧手能夠完成靈活、精細(xì)的抓取操作，成為人類肢體的有效延伸。主操作手逐漸成為機(jī)器人領(lǐng)域的熱門研究方向之一，并且已經(jīng)逐漸成為一個專門的研究領(lǐng)域，涵蓋了從空間探索到醫(yī)療器械等領(lǐng)域中的一些重大課題。由于主操作手涉及機(jī)器人學(xué)、機(jī)構(gòu)學(xué)、材料科學(xué)、自動控制、計算機(jī)圖形學(xué)等學(xué)科，近年來很多國家都已成立了專門的多指靈巧手實驗室或?qū)嶒炛行?，以大力發(fā)展這一高新技術(shù)。目前，國內(nèi)該技術(shù)的研究相對薄弱。我國載人航天事業(yè)取得的成功，為太空探索鋪平了道路。宇航員在太空中進(jìn)行探索存在著許多危險和不便：太空艙內(nèi)外存在著壓差，需要穿著厚重的太空服；在太空中處于失重環(huán)境，在太空中行走時與太空艙相連的安全索會纏繞起來。這時，多指靈巧手就成為一個有效的工具，宇航員可以方便的在艙內(nèi)使用主操作手控制靈巧手進(jìn)行太空探索。主操作手在其他的場合，例如在核能開發(fā)的惡劣環(huán)境中和微創(chuàng)手術(shù)的醫(yī)療器械中，都有著廣泛的應(yīng)用。1、靈巧型觸感交互裝置在危險的環(huán)境下，多選擇使用靈巧手代替人類工作。由于目前靈巧手技術(shù)發(fā)展尚未成熟，選擇人機(jī)合作，利用人工智能，允許操作者在機(jī)器人靈巧手的編程計劃中以遙操作[3]的方式參與進(jìn)去，即本地操作者利用遙操作設(shè)備對工作環(huán)境中靈巧手系統(tǒng)進(jìn)行遙控操作，指揮其完成任務(wù)，可以大大提高靈巧手任務(wù)完成的準(zhǔn)確性。虛擬現(xiàn)實技術(shù)作為一種可視化工具，在改善遙操作系統(tǒng)中的人機(jī)接口方面有著重要作用。將虛擬現(xiàn)實技術(shù)、遙操作和機(jī)器人靈巧手結(jié)合起來，形成一個虛擬現(xiàn)實的機(jī)器人靈巧手的遙操作平臺，使操作者可以精確的操作遠(yuǎn)端的目標(biāo)物，特別是應(yīng)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)開發(fā)出具有“臨場感”的虛擬操作界面，作為人機(jī)交互接口系統(tǒng)，有助于提高遙操作機(jī)器人靈巧手的抓取效率和可靠性。力臨場感技術(shù)是觸感交互技術(shù)的重要組成部分[5]，人機(jī)接口利用該技術(shù)將本地操作者的位置和運(yùn)動信息的控制指令傳達(dá)給遠(yuǎn)地的機(jī)器人，同時將遠(yuǎn)地機(jī)器人感知到的環(huán)境信息，以及機(jī)器人和環(huán)境間的相互作用信息實時地反饋給本地的操作者，使操作者產(chǎn)生身臨其境的感覺。操作者使用靈巧手相當(dāng)于延伸在遠(yuǎn)地的肢體，可以真實地感受到和環(huán)境的交互狀態(tài)和相互作用，從而做出正確的決策，可以有效的控制機(jī)器人完成復(fù)雜的任務(wù)。虛擬現(xiàn)實（VirtualReality-VR）技術(shù)作為當(dāng)今信息時代計算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域的一門新興學(xué)科，從一個全新的角度感知心智，模擬現(xiàn)實，無疑是科學(xué)研究方法的一種變革，也必將對人類生活帶來深遠(yuǎn)的影響。與虛擬項目有關(guān)的研究，即利用立體試聽、數(shù)據(jù)手套、數(shù)據(jù)服裝等人類感覺的延展技術(shù)，來模擬仿真三維現(xiàn)實世界的研究，一開始并沒有一個統(tǒng)一的概念，直到1989年美國科學(xué)家、VPL的主管JaronLanier[4]，提出虛擬現(xiàn)實（VirtualReality）這一概念，才將這些研究統(tǒng)一在單一的虛擬現(xiàn)實這一名詞之下。從對虛擬現(xiàn)實的系統(tǒng)的描述來看，它的特征主要強(qiáng)調(diào)了以下四個要素：（1）多感知性。多感知是指除了我們熟悉的計算機(jī)技術(shù)所具有的視覺感知之外，還包括聽覺感知、觸覺感知、運(yùn)動感知、力覺感知，甚至包括味覺感知、嗅覺感知等。理想的虛擬現(xiàn)實技術(shù)包括了一切人類所具有的感知功能。（2）交互性。交互性是和實時性聯(lián)系在一起的，是指用戶在模擬環(huán)境內(nèi)對物體的可操控程度和從環(huán)境得到反饋的自然程度。（3）存在感。又稱臨場感，指用戶作為主角在虛擬環(huán)境中感受到的真實程度，理想的虛擬現(xiàn)實環(huán)境下，應(yīng)該達(dá)到以假亂真的程度，使用戶難以分辨。（4）自主性。自主性是指虛擬環(huán)境中的物體具有能夠與現(xiàn)實生活中的物體一樣依據(jù)物理定律動作的程度。20世紀(jì)50年代，Goertz在核廢料處理主從操作機(jī)器人系統(tǒng)中首次提出了力覺主手的概念[6]。在靈巧手系統(tǒng)中，我們把用于實際作業(yè)的機(jī)械手稱為從手，而人實際操作的，用于獲取人手位姿信息的裝置，稱為觸感交互裝置或者主手。力覺主手是主從遙操作機(jī)器人系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，一般情況下，它是對從手機(jī)械手進(jìn)行實時運(yùn)動控制的輸入設(shè)備；當(dāng)從手與物理環(huán)境相互作用產(chǎn)生力時，主手將這個力提供給操作者，成為一種力覺感知的接口設(shè)備。主操作手向操作系統(tǒng)傳送位置姿態(tài)、運(yùn)動速度等多種信息，同時可以接受控制系統(tǒng)發(fā)來的力和力矩等環(huán)境信息，是人與機(jī)器人之間建立緊密動態(tài)關(guān)系的重要接口，為操作者提供力覺臨場感，實現(xiàn)對靈巧手的有效干預(yù)和控制，使操作者與系統(tǒng)之間建立了一種緊密的動態(tài)耦合，這種操作具有形象性、直接性、連續(xù)性和力覺臨場感。采用主手作為輸入接口，操作直觀、自然，與使用計算機(jī)鍵盤或操作桿操作形成了鮮明的對比，操作者在使用時不用進(jìn)行思維的轉(zhuǎn)換，可以充分發(fā)揮各種感官對信息的接受和處理能力。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合視覺、聽覺等信息，可以提高操作效率，擴(kuò)大操作范圍，保證作業(yè)的安全性。目前，靈巧型觸感交互裝置的兩大主要功能是對操作者手指的運(yùn)動位姿測量和與外界環(huán)境交互的力觸覺反饋。它主要用于兩個方面：主從控制系統(tǒng)，如外科手術(shù)的精密微操作，以及太空、核反應(yīng)堆等極端環(huán)境中的工作；虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，如模擬外科手術(shù)、游戲以及各種模擬訓(xùn)練。早期觸感交互裝置一般只應(yīng)用于主從控制系統(tǒng)，1949年美國ANLage實驗室研制的純機(jī)械結(jié)構(gòu)的M1型主從式遙操作機(jī)是最早的應(yīng)用實例[2]。隨著計算機(jī)的發(fā)展，智能化、虛擬現(xiàn)實及科學(xué)可視化促進(jìn)了觸感交互裝置應(yīng)用領(lǐng)域的拓展?，F(xiàn)在，越來越多的觸感交互裝置應(yīng)用于虛擬現(xiàn)實領(lǐng)域。2、國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀市場上多以僅具有位置檢測的感應(yīng)手套為主。隨著虛擬現(xiàn)實、新型傳感器以及計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，具備力反饋的主操作手漸漸成為新寵。越來越多的國內(nèi)外高校開展了該項領(lǐng)域的研究，并取得了豐碩的成果，甚至各相關(guān)公司也紛紛推出自己的產(chǎn)品。從結(jié)構(gòu)上可以將主操作手分為穿戴型主手和桌面型主手，下文將分別介紹兩種結(jié)構(gòu)中幾種比較典型的主操作手。參考文獻(xiàn)[1]周麗平.超聲電機(jī)驅(qū)動五指靈巧手的研制,[碩士學(xué)位論文].南京:南京航空航天大學(xué),2008.[2]孔英.基于多操作系統(tǒng)通用性主手控制器的研究,[碩士學(xué)位論文].山東:山東科技大學(xué),2006.[3]鄭曉曦.論虛擬現(xiàn)實之意義.武漢交通科技大學(xué)學(xué)報,2000,13(4):8~10.[4]楊寶民,朱一寧.分布式虛擬現(xiàn)實技術(shù)及其應(yīng)用.北京:科學(xué)出版社,2000:8~20.[5]周思躍.基于虛擬現(xiàn)實的機(jī)器人靈巧手遙操作平臺的設(shè)計和實現(xiàn),[博士學(xué)位論文].上海:上海大學(xué),2006.[6]R.C.GOERTZ.FundamentalsofGerneral-PurposeRemoteManipulators.JournalofNucleonics.1952,10(11):36~42.[7]AVIZZANOCA,etal.TheHandForceFeedback:AnalysisandControlofaHapticDevicefortheHumanHand.IEEEInternationalConferenceonSystems,ManandCybernetics,2000,2:989~994.[8]NAKAGAWARAS,etal.AnEncounter-TypeMulti-FingeredMasterHandUsingCircuitousJoints.IEEEInternationalConferenceonRoboticsandAutomation,2005:2667~2672.[9]KOYAMAT,etal.Multi-FingeredExoskeletonHapticDeviceusingPassiveForceFeedbackforDexterousTeleoperation.ProceedingsIEEE/RSJInternationalConferenceonIntelligentRobotsandSystems,2002,3:2905~2910.[10]戈登·麥庫姆.機(jī)器人本體制作指南(原魁,房立新譯).北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2006.3:25~54.[11]AMRAgur,MJLee.Grant’sAtlasofAnatomy.LippineottWilliamsandWilkins,10thEdition,1999:55~70.[12]張玉茹,李繼婷,李劍鋒.機(jī)器人靈巧手:建模、規(guī)劃與仿真.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2007.4:49~62.[13]王愛民,戴金橋.一種新型的力反饋實現(xiàn)方法.東南大學(xué)學(xué)報,2007,37(3):414~419.[14]劉伊威,金明河.DLR/HIT仿人機(jī)器人靈巧手的設(shè)計.機(jī)械制造,2006,44(507):32~35.[15]李濤,駱敏舟,張志華等.基于欠驅(qū)動機(jī)構(gòu)的仿人機(jī)器人手爪設(shè)計.機(jī)電一體化,2010,1:29~33.[16]王珺,孫志峻,郭語.基于特征點集的五指靈巧手主從映射方法.機(jī)械設(shè)計與研究.2009,25(5):35~38.[17]王愛民,戴金橋.一種基于電流變液體的力反饋裝置.傳感技術(shù)學(xué)報,2007,20(4