学生学术科技作品竞赛论文--软体力反馈手套.docx

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1、摘要虚拟现实技术通过创建一个虚拟空间，向参与者提供视觉、听觉、触觉、嗅觉等身临其境的感受。为了增强与虚拟世界交互的沉浸感，市场上已经出现类似手套的刚性触觉设备，用户可以通过使用灵巧的操作和人手灵敏的感知能力，以直观的方式触摸和操纵虚拟物体。本文针对市场上已存在的刚性力反馈手套所存在的不易穿戴、自重较大等缺点，综合气囊结构特性和阻塞原理，提出用气囊层与阻塞层结合的解决方案，设计了新型软体力反馈驱动器。本文从第一代到第四代试验机的原理验证、制作流程、物理样机、结果验证以及优缺点分析等方面介绍了软体力反馈手套研究的阶段性成果。关键词:软体，力反馈手套，阻塞原理1AbstractVirtual rea

2、lity technology provides participants with visual, auditory, tactile, olfactoryand other immersive experiences by creating a virtual space. In order to enhance theimmersion of interaction with the virtual world, many rigid haptic devices have appeared onthe market, and users can intuitively touch an

3、d manipulate the virtual object by using smartoperation and sensitive sensing ability.This present paper aims at the problems that the rigid force feedback gloves existing onthe market are not easy to wear and have large self-weight. Based on the structuralcharacteristics of the airbag and the theor

4、y of particle jamming, the solution of combining theairbag layer and the jamming layer is raised and New soft force feedback driver is designed.This paper introduces the phased results of the soft force feedback gloves from the first to thefourth generation test machine at principle verification, pr

5、oduction process, physicalprototype, result verification, analysis of advantages and disadvantages .Key words:Software, force feedback gloves, theory of particle jamming 11目录摘要iAbstractii目录iii图目录iv表目录v第一章项目简介11.1 研究背景及意义11.2 国内外研究现状11.3 项目创新点51.3.1 软体驱动51.3.2 实现全手触觉与力反馈51.3.3 毫秒级快速响应51.3.4 手套整体更轻薄，带

6、来更强的沉浸式体验51.3.5 易于携带更轻便51.3.6 安全性更强5第二章方案选择与论证62.1 软体复合材料的选择62.2 软体驱动器的构型设计与制造62.2.1 第一代软体驱动器62.2.2 第二代软体驱动器92.2.3 第三代软体驱动器设计与实验验证102.2.4 第四代软体驱动器11第三章应用前景16第四章改进方向17结论18参考文献19 111图目录图1基于阻塞原理的力反馈手套结构图2图2基于阻塞原理的力反馈手套实物图2图3Dexmo结构图2图 4Rutgers Master II “New Design”3图5大连海事大学研制的力反馈手套3图6非接触式霍尔传感器3图7广岛大学进

7、行的实验4图8广岛大学研制的可穿戴式力反馈设备4图9第一代软体驱动器变形层7图10第一代软体驱动器非变形层7图11第一代软体驱动器模具8图 12Dragon Skin 10 硅胶8图13第二代软体驱动器9图14第二代软体驱动器充气状态9图15第三代软体驱动器模具10图16第三代软体驱动器实物11图17第三代软体驱动器抽其后效果图11图18第四代软体驱动器原理示意图12图19第四代软体驱动器手掌处气囊层气囊及气管排布设计13图20第四代软体驱动器实验效果图13图21第四代软体驱动器气囊层结构图13图22第四代气囊层充气效果图114图23第四代气囊层充气效果图214图24第四代气囊层充气效果图31

8、4iv表目录表1现有力反馈手套对比4表2硅胶性能对比6#北京航空航天大学第二十九届“冯如杯”学生学术科技作品竞赛参赛作品第一章项目简介1.1 研究背景及意义虚拟现实技术是运用多种传感设备模拟用户在一定条件下的感觉的技术。与传统的全景技术相比，虚拟现实技术能够提供更加逼真的体验，在娱乐、教育等领域有着广泛的应用。随着虚拟现实技术的发展，许多厂商和用户都在追求更加逼真的虚拟现实体验,这就需要研究虚拟环境下的视觉、听觉、力觉和触觉等感知信息的合成方法，着重于解决合成信息的高保真性和实时性问题以提高沉浸感。目前，市场上已经存在比较成熟的视觉和听觉设备，可以带给用户较为良好的体验效果。但虚拟环境下的触觉

9、信息的合成还是一个有待突破的领域。因此，能够在虚拟现实环境下使用的软体力反馈手套可以进一步优化虚拟现实的体验。目前市场上成熟的触觉反馈设备大部分需要用户双手各持一个手柄进行体验，对触觉的反馈形式单一，这会在一定程度上影响虚拟现实体验的沉浸感。与需要持续抓握的手柄相比，触觉反馈手套可以解放用户的双手，降低了设备从手中脱落的风险，提高体验的真实感。虽然国内外对力反馈手套的研究已经获得了一些成果，但其大部分使用刚性材料，力反馈覆盖面窄，最大反馈力较小，活动范围有限。本项目则针对现阶段力反馈手套存在的缺点，创新地使用软体材料，重点突破软体驱动器的结构设计及制作并完成气路控制系统，使其具有以下特点（1）

10、轻便；（2）安全；（3）能实现全手力和触觉的反馈。（4）与虚拟环境的简单交互1.2 国内外研究现状从上图可以看出国内外已经研究了多款基于各种形式的力反馈手套，他们的原理也各不相同，大部分是基于刚性结构，通过各种传感器进行控制。以下着重介绍四种原理不同的力反馈手套。Zubrycki和G Granosik在2012年推出基于阻塞原理的力反馈手套（图1,图2）,用气泵控制每个阻塞管来实现固体颗粒在流体与固体之间的转化。但该技术尚未成熟，力反馈效果不佳。supportharnesspneumatic tubingjamming tubeellastic band/图1基于阻塞原理的力反馈手套结构图图2

11、基于阻塞原理的力反馈手套实物图D.Zhou和P. O. Kristensson在2016年推出的Dexmo采用的外骨骼结构（图3）来进行手部动作捕捉，可以捕捉控制者的手部动作，进行更精准的机器人手部控制。目前其还在完善阶段，对于信息传输速度和重量等还在研究中。图3 Dexmo结构图新泽西州立大学研制的Rutgers Master II New Design”（图4）和大连海事大学研制的力反馈手套（图5）均利用了非接触式霍尔效应传感器（图6）,图 4 Rutgers Master II “New Design”图6非接触式霍尔传感器图4，但是仅限于部广岛大学研究了基于气动软体的可穿戴力反馈设备（

12、图7,图分手掌的力反馈，并且穿戴很不方便。图5广岛大学进行的实验图6广岛大学研制的可穿戴式力反馈设备此外，我们还选取了四款性能比较完善的力反馈手套做了对比，可以发现他们大多为刚性结构、抓握方式单一、最大反馈力较小、活动范围有限、重量较大。表1现有力反馈手套对比名称性能WolverineCyber GraspRutgers MasterDESR抓握方式手指抓取手指、手掌、侧面抓握手掌抓握手指抓取驱动方式单向闸直流马达和线气缸电活性聚合物力反馈方式恒刚度变刚度变刚度变刚度最大反馈力106N12N16N7.2N活动范围20-160mm可以自由活动27mm冲程5mm冲程能源内置电池外部供电外部供电外部

13、供电重量55g450g185g38g1.3 项目创新点本产品使用两种硅橡胶制作软体驱动器，并应用阻塞原理来实现力反馈。与现有的研究成果相比，本项目有以下创新点：1.3.1 软体驱动本产品创新性的将软体材料应用于力反馈手套中。市场现有产品中几乎没有基于软体的力反馈手套。软体材料具有安全、轻薄等特点，其优势被有机地结合到本设计中，为力反馈手套带来颠覆式的全新体验。1.3.2 实现全手触觉与力反馈本产品将气囊层与阻塞层结合，气囊层通过点阵结构分布于整个手掌，实现全手的触觉反馈，阻塞层在抽气后成固体性质，实现力反馈。1.3.3 毫秒级快速响应通过改进气路布局与设计结构，气腔体积减小，在充气速度不变的情

14、况下，充气时间更短，响应速度更快。现有的软体驱动器由于体积与气路布局的限制响应速度缓慢。1.3.4 手套整体更轻薄，带来更强的沉浸式体验本设计自由状态时利用软体驱动器的优势，轻薄柔软，自由状态下阻力较小。与虚拟环境交互时，通过气路控制系统分别控制点阵式结构的每个气囊，阻塞层适时提供力反馈，模拟多种交互情景，带给用户更强的沉浸式体验。1.3.5 易于携带更轻便通过优化驱动器设计，在不影响反馈力大小的情况下，本产品整体厚度仅5毫米，整体厚度更小更轻薄。1.3.6 安全性更强相较于刚体性结构，软体安全系数更高，即便在出现意外的情况下，本设计可以轻松从手掌拿出，对手造成的伤害大大降低。本产品气管内部气压也为安全气压，这在极大程度地降低了意外情况下的危险性。第二章方案选择与论证2.1 软体复合材料的选择针对软体力反馈手套的性能要求，所使用的材料应该具有以下特点：（1）拉伸性能好（2）抗撕裂；（3）柔软且韧性弹性好；（4）密度较小；（5）对皮肤刺激性低；（6）易于加工和成型。参考国内外其他软体力反馈手套的材料选择，并查询国际上各种软体材料的性能，Pinnacle Annor公司的硅胶材料Dragon skin是最符合本手套性能要求的材料。Dragonskin硅橡胶的拉伸性能及抗断裂性能都很出众，断裂伸长可达1000%,具有极强的抗撕裂