1、作為一種新興的人機交互技術(shù)，力/觸覺再現(xiàn)技術(shù)借助力/觸覺再現(xiàn)設(shè)備和計算機仿真環(huán)境，使得操作者可以觸摸、感知和操縱虛擬物體。與視覺再現(xiàn)或聽覺再現(xiàn)結(jié)合在一起，力/觸覺再現(xiàn)技術(shù)能夠極大程度地增強虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的真實感，進一步加強和拓展了虛擬現(xiàn)實技術(shù)在醫(yī)療、軍事、工業(yè)、教育和日常生活中的應(yīng)用。本論文以國家“九七三”重點基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃項目、國家自然科學基金項目和國家“八六三”高技術(shù)研究發(fā)展計劃項目為依托，從實現(xiàn)方法、模型建立、人機耦合穩(wěn)定性和系統(tǒng)

2、性能等方面，對虛擬環(huán)境中力/觸覺再現(xiàn)中的一些關(guān)鍵問題進行了研究。論文研究工作中所有的實驗系統(tǒng)，都是基于Delta力/觸覺再現(xiàn)設(shè)備來構(gòu)建的。 對于一個力/觸覺再現(xiàn)系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采樣系統(tǒng)的本質(zhì)特性、作用力計算刷新率、力/觸覺再現(xiàn)設(shè)備固有特性(阻尼、摩擦力和位移傳感器量化誤差)和操作者的行為特性等因素共同決定了系統(tǒng)的性能。論文通過實驗研究了PC機和Windows操作系統(tǒng)環(huán)境下實現(xiàn)作用力計算循環(huán)控制的3種方法(時間查詢法、多媒體定時器法和基

3、于實時擴展方法)的性能，確立了基于實時擴展方法的適用性。提出了一種新穎的“超線程”力/觸覺再現(xiàn)體系結(jié)構(gòu)，通過將力/觸覺再現(xiàn)算法與其他耗時的事務(wù)解耦且以一定時間間隔連續(xù)觸發(fā)多個力/觸覺再現(xiàn)線程的途徑，有效地提高了系統(tǒng)中作用力計算刷新率，進而提高了系統(tǒng)性能。該體系結(jié)構(gòu)還因為能夠容納相對較大的算法計算時間，使得仿真較復雜的虛擬環(huán)境成為可能?？紤]到速度參量在力/觸覺再現(xiàn)作用力模型建立中的重要性，本文從交互過程中位移信息出發(fā)，利用位移峰值點和速度

4、變化較大點作為分段點，分段進行速度估算。實驗驗證了該速度估算方法能夠兼顧準確性和快速性，能夠廣泛應(yīng)用于力/觸覺再現(xiàn)系統(tǒng)。 作為力/觸覺再現(xiàn)系統(tǒng)中的主導性組成部分，操作者對系統(tǒng)性能有著重要的影響。針對人類操作者手臂阻抗受多種因素(身體姿勢和肌肉張力等)影響、大小可以在一定范圍內(nèi)調(diào)整和調(diào)整需要一定響應(yīng)時間的特性，提出了一種利用隨位置變化的磁力場來調(diào)節(jié)操作者手臂阻抗特性的方法。對比實驗證明該方法能夠在交互過程中逐漸提高操作者對擾動的抑

5、制能力，從而增強人機耦合系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 力/觸覺再現(xiàn)系統(tǒng)是一個數(shù)據(jù)采樣系統(tǒng)，系統(tǒng)中的采樣保持環(huán)節(jié)會引起能量泄漏，從而有可能引起系統(tǒng)不穩(wěn)定。為了消除這種能量泄漏，論文從無源性理論出發(fā)，提出了基于能量補償控制的力/觸覺再現(xiàn)方法。該方法以理想的連續(xù)時間力/觸覺再現(xiàn)系統(tǒng)為參考，利用能量補償控制器計算并補償數(shù)據(jù)采樣力/觸覺再現(xiàn)系統(tǒng)在每個采樣周期內(nèi)由于“做功差”引起的能量流差異。該方法不僅消除了系統(tǒng)中流出的過能量，還補償了操作者對虛擬物體做

6、功過程中的欠能量?；谔摂M墻系統(tǒng)進行了多實驗對象參與的對比實驗，驗證了該方法能夠有效地提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和仿真真實性。當基于能量補償控制的方法能夠有效地提高系統(tǒng)最大再現(xiàn)剛度時，力/觸覺再現(xiàn)設(shè)備位移傳感器量化誤差成為影響系統(tǒng)性能的因素。提出了基于移動平均濾波器的方法和基于非線性彈簧模型的方法來抑制量化誤差引起的干擾。前者通過僅在低速運動時用移動平均濾波器，獲得抑制干擾且盡可能地減小濾波器時延的效果；后者融合線性彈簧模型和基于平方根方程的彈簧模