力觉接口系统的性能优化设计及稳定性研究

摘要

随着虚拟现实技术的发展及其在医学、娱乐、艺术与教育、军事及工业制造等领域的应用，国家也越来越重视这一前沿技术的研究，并将这一研究列入了《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006—2020年)》。力觉(力感觉)作为虚拟现实的重要组成部分，同视觉、听觉一样，都是虚拟现实中信息传递的重要方式，力觉接口系统的应用对于提高虚拟现实的自然性和沉浸感具有非常重要的理论意义和现实作用。
　　在本课题的研究中，以单自由度力觉接口系统为研究对象，分析研究系统的稳定性和透明性。分别建立操作者、力觉接口装置、虚拟环境的模型，用MATLAB/SIMULINK研究模型参数对系统的影响进行，着重分析力觉接口装置模型的物理阻尼的对系统稳定域的影响。仿真分析操作者对系统的稳定性具有促进作用，所以在力觉接口系统的分析中不考虑操作者的阻抗特性，将其等效为一个输入信号，以简化分析过程和难度。用劳斯—赫尔维茨判据求解系统的稳定域，用仿真结果的比较说明无源性设计具有很大的保守性，且降低了系统的透明性。为了提高系统的透明性，提出了绝对稳定性设计，同时引入虚拟耦合环节，使系统对任意无源的操作者和虚拟环境都能保持稳定。将力觉接口系统等效为双端口网络结构系统，根据线性时不变双端口网络的莱威林准则，给出系统的绝对稳定条件。
　　为了量化分析系统的性能，定义了Z?width概念，对比分析虚拟耦合环节及不同参数对Z?width的影响。用Z?width的仿真结果比较虚拟耦合环节在不同的稳定域内对系统性能的影响。同时，根据H2理论设计一个基于绝对稳定的性能优化指标函数，可用该指标函数求解虚拟耦合的最优参数，以使系统的性能达到最优。最后，分别对操作者和虚拟耦合环节对系统的稳定性影响进行仿真分析。

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第一章 绪论

1.1 课题研究的背景

1.2 力觉接口系统概述

1.3 国内外研究现状

1.4 课题的来源和本课题研究的内容

第2章 力觉接口系统的建模

2.1 力觉接口系统的建模

2.2 操作者阻抗对系统的影响

2.3 本章小结

第3章力觉接口系统的稳定域及绝对稳定性判据

3.1 影响力觉接口系统稳定性的因素

3.2 力觉接口系统的无源性条件

3.3 力觉接口装置物理阻尼对系统的影响

3.4 力觉接口系统的稳定域范围

3.5 绝对稳定性理论及其判据

3.6 本章小结

第4章 力觉接口系统的绝对稳定设计及性能分析

4.1 力觉接口的二端口模型及绝对稳定分析

4.2 虚拟耦合及其力觉接口的绝对稳定性分析

4.3 力觉接口系统的绝对稳定性仿真

4.4 虚拟耦合力觉接口系统的性能

4.5 虚拟耦合对系统性能的影响

4.6 本章小结

第5章 力觉接口系统的性能优化设计及仿真

5.1 绝对稳定约束下的性能优化设计

5.2 力觉接口系统的性能仿真及分析

5.3 虚拟耦合环节对系统稳定性的影响

5.4 操作者对系统稳定性的影响

5.5 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢