在人类与外界环境的物理交互中，触觉是实现感知最重要的感官。不同于视觉和听觉，触觉能够完成信息的双向流动，操作者能够通过触感来调节交互作用力的大小和方向。随着人机交互技术的不断成熟，触力觉交互设备（haptic interface）被广泛应用于3D虚拟现实场景，包括医学仿真、虚拟装配、科学研究等，为虚拟现实的交互者提供身临其境的触摸感。本文从触力觉交互设备的机构设计、运动学和动力学的建模分析出发，提出了一种带重力补偿的阻抗控制器，基于物理样机模型完成了该触力觉交互设备的相关性能分析。

  人手在运动功能和感知功能上具有非常大的不对称性，即人类通过低频的运动与环境交互却能够感知由此产生的高频信号。而触力觉交互设备作为连接用户与虚拟环境的媒介，其结构设计和系统控制都面临诸多挑战。

触力觉交互设备是一个完整的机械臂系统，常见的机械结构包括并联的Delta结构、四连杆结构以及串联的连杆结构。本文采用了串并联混联的结构构型，在机械结构上实现了平移和旋转的解耦。基于结构构型运动学和动力学分析，设计了带重力补偿的阻抗控制器，实现了三个平动自由度和一个夹持自由度的力反馈功能。控制器结构如图1所示。 

                图1  带重力补偿的阻抗控制器方框图  

  为了快速评估重力补偿算法的效果，本文采用ADAMS模型进行仿真验证。通过ADAMS模型计算结果和数学模型计算结果的对比，验证了重力补偿算法的有效性。为了对该控制器的控制性能进行相关分析，本文对七自由度触力觉交互设备的物理样机进行了实验分析。从重力补偿、输入输出特性以及输出力跟踪性能三方面进行了实验研究。该设备在X轴方向的输入输出特性曲线如图2所示。实验结果表明，该阻抗控制器能够实现反馈力的精确控制和输出。

图2  X轴方向的力输入输出特性曲线

文章信息：

Jian-Long Hao, Xiao-Liang Xie, Gui-Bin Bian,  Zeng-Guang Hou,  and Xiao-Hu Zhou, Development and evaluation of a 7-DOF haptic interface,  IEEE/CAA Journal of Automatica Sinica,  vol. 5, no. 1, pp. 261-269, Jan. 2018.

作者简介：

侯增广，中国科学院自动化研究所研究员，博士生导师，国家杰出青年基金获得者，万人计划入选者，复杂系统管理与控制国家重点实验室副主任。

全文链接：http://html.rhhz.net/ieee-jas/html/2018-1-261.htm