● 摘要
本论文完成了基于电触觉的灵巧手力觉交互系统实验平台的设计。该实验平台应用于灵巧手主从控制中，能够为操作者实时提供从端灵巧手与环境之间的接触力信息，使操作者实时掌握从端灵巧手与环境间的交互信息，有效的控制灵巧手完成操作任务。课题完成的主要工作包括：设计了一个5指11自由度的仿人形机器人灵巧手。选定了适合用于力觉反馈的电刺激信号。设计了电刺激信号发生装置和电刺激电极。另外研究了从力传感器的力信号到操作者手感知的电刺激信号之间的信号传输、映射与匹配算法。 在灵巧手设计过程中，主要完成了仿人形灵巧手的整手布局设计，传动系统设计和感知系统设计。在传动系统设计中，应用了本实验室的发明专利：两自由度关节机构，对这一技术进行了实际的验证，使该项技术从理论转化为实际应用。利用虚拟样机技术对设计进行了优化和仿真。通过灵巧手物理样机实验，证明了该设计的合理性。刺激信号选取工作中，分别采用信号发生设备和自行设计的电路，产生各种实验波形，通过人体感受实验的方法，对电刺激信号的波形、频率、占空比、电压幅值等参数对人体感受的影响进行了研究。通过大量的实验，选定了使人体感受平稳舒适，力觉感逼真的信号，作为力反馈的刺激信号。信号的参数包括：波形为正负脉冲交替出现的方波，频率为250Hz，占空比为5-15%。并且确定了采用方波电压幅值的变化来反馈力的大小的控制策略。在选定了刺激信号的基础上，设计了一个电刺激信号发生电路。该电路能够发生力觉交互系统所需的刺激信号，信号的电压幅值可以被从端灵巧手采集到的力信号所控制，信号参数可以根据操作者对电刺激的敏感程度不同而进行调整。在刺激电极的设计上，分析了电极尺寸对人体感受的影响，经过实验，选择了电极材料为柔性的导电橡胶，尺寸为30 30mm的方形电极。设计了信号处理与映射算法。包括将六维力传感器采集到的六维力信号合成一维力信号，以及使该一维力的大小与操作者感受到的电刺激强度相匹配。经过系统实验，证明本课题完成的力觉交互系统能够将从端灵巧手与外界环境之间的作用力反馈给主端的操作者，操作者不仅能感受到力的有无，而且能够感受到力的大小。能够有效的为操作者提供从端的信息。为操作者掌握灵巧手的抓持状态，有效的控制灵巧手完成操作任务，提供了可靠的依据。同时，系统实验还证明，本课题所选电刺激信号的参数合理，给操作者的力觉感真实，舒适，信号处理算法实用，有效。可以为同类研究工作提供有价值的参考和借鉴。