触觉设备特性衰减研究与超声振动虚拟按钮技术

# 触觉设备特性衰减研究与超声振动虚拟按钮技术 ## 1 触觉设备特性衰减研究 ### 1.1 数据获取与频率图创建 在模拟过程中，研究末端执行器在工作区域（AW）的运动。通过在虚拟环境中的导航轨迹，能获取AW中每个单元格被访问的频率（fijk）。利用这些值，可为设备要完成的每个任务创建频率图。 ### 1.2 最优定位计算 最优定位由有用可操作性（$\hat{\mu}_v$）来表征，考虑工作空间（RW）的三维单元格网格（i, j, k），计算公式如下： - 当需要研究单元格内可操作性分布并计算平均值时： $\hat{\mu}_v = \sum_{ijk} f_{ijk} \cdot \mu_{vijk}$ （公式2） 其中，$\mu_{vijk}$ 是单元格的体积平均可操作性，$f_{ijk}$ 是在每个单元格中任务期间采样的访问频率。 - 当单元格（i, j, k）足够小时，可认为可操作性是恒定的，使用更简单的公式： $\hat{\mu}_v = \sum_{ijk} f_{ijk} \cdot \mu_{ijk}$ （公式3） 其中，$\mu_{ijk}$ 是由（1）计算的单元格的可操作性。 根据这个标准，OMNi设备在使用频率方面的最佳定位将产生 $\hat{\mu}_v$ 的最大值，这是模拟退火过程中的成本函数。 ### 1.3 结果分析 #### 1.3.1 边界衰减问题解决 解决了RW - 可操作性图在边界附近的衰减问题。通过对比有无衰减的图，发现有衰减时边界处的可操作性平滑下降，最大值从边界线明显移到了工作空间内部。 #### 1.3.2 虚拟环境的定位和定向研究 为计算操纵器在实际应用中的适用性等级，以OMNi设备在微创外科手术训练器机械平台中的应用为例，虚拟环境是人体肩部的内腔。研究分为两个分辨率部分，都使用模拟退火算法搜索最优定位和定向： |研究阶段|单元格边长|研究单元格数量|定位情况|可操作性值|改进百分比| | ---- | ---- | ---- | ---- | ---- | ---- | |第一阶段低分辨率仅定位|8mm|50000个|仅定位|$\hat{\mu}_v = 0.8521$| - | |第一阶段低分辨率定位加定向|8mm|50000个|定位加4种定向（0°、45°、90°、135°）|$\hat{\mu}_v = 0.8725$|2.34%| |第二阶段高分辨率定位加定向|2mm|近200万个|仅考虑低分辨率研究中可操作性值好的区域，加3种定向|$\hat{\mu}_v = 0.8838$|1.28%| #### 1.3.3 不同任务的频率图研究 为研究同一触觉设备在同一虚拟环境中执行不同任务的效果，选择了三个任务： - 任务1：模拟微创肩部关节镜手术，导航集中在两个明确的区域。 - 任务2：模拟锅炉内部探头相机寻找裂缝的运动，大部分导航在边界区域，但所有运动都经过中心区域。 - 任务3：虚构的机床工作任务，涉及换工具、焊接、零件连接等。 根据任务不同，触觉设备的最佳设计过程得出设备必须放置在不同的质心（CG）位置和相对于主轴的不同方向： |任务|可操作性值|AW位置（XYZ）| | ---- | ---- | ---- | |任务1|$\hat{\mu}_v = 0.8042$|(0.05, 0.13, 0.13)| |任务2|$\hat{\mu}_v = 0.7911$|(0.01, 0.13, 0.12)| |任务3|$\hat{\mu}_v = 0.7717$|(-0.02, 0.13, 0.115)| ### 1.4 研究结论 - 衰减因子的定义解决了当前代数公式边界问题，为机械工程师提供了一种考虑机械实现实际特性来测量操纵器性能的新工具。 -