基本信息
- 項目名稱：
- 空間多維控制器
- 小類：
- 機械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡介：
- 目前實際應(yīng)用的計算機鼠標多數(shù)是兩維的，只具有平面兩個運動量的輸入，而目前已有的多數(shù)六維輸入設(shè)備采用了基于力/力矩感知的技術(shù)，因此沒有操作真實感。本項目致力于開發(fā)具有空間六維操作能力的空間多維控制器，同時使得操作者能在宏動范圍內(nèi)具有較真實的移動/轉(zhuǎn)動感覺。
- 詳細介紹：
- 本項目研究的目的與意義： 目前實際應(yīng)用的計算機鼠標多數(shù)是兩維的，只具有平面兩個運動量的輸入，隨著三維技術(shù)的迅猛發(fā)展，開始出現(xiàn)了三維操作系統(tǒng)，因此必然需要具有空間操作能力的空間六維控制器，而目前的多數(shù)六維輸入設(shè)備采用了基于力/力矩感知的技術(shù)，沒有操作真實感，而且在很多技術(shù)領(lǐng)域還有一些應(yīng)用限制。 本項目致力于開發(fā)具有空間六維操作能力的六維控制器，它能夠在工業(yè)虛擬裝配、機器人多維操作、計算機輔助設(shè)計、3D游戲以及三維操作系統(tǒng)等高新技術(shù)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)多自由度控制，同時使得操作者能在宏動范圍內(nèi)具有較真實的平移/轉(zhuǎn)動感覺。 設(shè)計理念： 采用基于并聯(lián)機器人技術(shù)的空間機構(gòu)作為六維控制器的機構(gòu)本體，上平臺運動時通過實時采集各關(guān)節(jié)相關(guān)位移及轉(zhuǎn)動信號,由傳感器與下位機處理電路將信號通過USB通信傳輸給計算機，計算機經(jīng)過運算處理及程序控制最終實現(xiàn)六維控制器控制計算機內(nèi)六維虛擬裝配或虛擬現(xiàn)實控制等操作。 制作方法： 1、機構(gòu)本體采用基于并聯(lián)機器人技術(shù)的空間機構(gòu)，用solid works建立三維模型，實現(xiàn)被操作對象在三維空間中的任意三維平動和三維轉(zhuǎn)動； 2、根據(jù)真實產(chǎn)品的要求，實時改變運動平臺的位置，通過傳感器采集各導(dǎo)軌相關(guān)位移及轉(zhuǎn)動信號，由并聯(lián)機器人運動學解算出其真實的空間六維輸入； 3、由下位機處理電路將信號傳輸給計算機，計算機經(jīng)過運算處理及程序控制實現(xiàn)交互式仿真界面實時控制。 用途： 六維控制器可以應(yīng)用到娛樂、機器人仿真、醫(yī)學、工業(yè)等諸多領(lǐng)域,如三維操作系統(tǒng)、3D游戲、虛擬裝配、機械手操作、模擬類虛擬場景的多維控制、機器人主從控制系統(tǒng)、飛行器仿真、手術(shù)控制等。 推廣價值： 新型六維控制器具有空間三維平移變量和三維轉(zhuǎn)動變量的同步檢測功能，能夠大大簡化人們使用普通鼠標加鍵盤的復(fù)雜操作，具有體覺感受明顯、實時性好、可靠度高等優(yōu)良的技術(shù)性能和操作方便、成本低等優(yōu)良的使用性能，在工業(yè)虛擬裝配、機器人多維操作、計算機輔助設(shè)計、三維游戲以及三維操作系統(tǒng)等高新技術(shù)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標
- （1）具有空間三維平移變量和三維轉(zhuǎn)動變量的同步檢測功能，可以實現(xiàn)對計算機三維模型的六自由度的獨立控制。 （2）采用并聯(lián)結(jié)構(gòu)作為主體機構(gòu)，通過改變機械結(jié)構(gòu)或調(diào)整軟件設(shè)置能夠方便的變換成2～5自由度的任意控制，具有廣泛的適應(yīng)性。 （3）同時采用了冗余傳感技術(shù)，避開了并聯(lián)結(jié)構(gòu)算法復(fù)雜的難題，實現(xiàn)了實際操作中的快速響應(yīng)。因此，其具有適應(yīng)性強、可靠性高、實時性好三大特點
科學性、先進性
- 科學性 空間多維控制器是一個可以對三維物體進行空間六個自由度操作的控制器。采用基于并聯(lián)機器人技術(shù)的空間機構(gòu)作為機構(gòu)本體，上平臺運動時通過實時采集各關(guān)節(jié)相關(guān)位移及轉(zhuǎn)動信號,由傳感器與下位機處理電路將信號通過USB通信傳輸給計算機，計算機經(jīng)過運算處理及程序控制最終實現(xiàn)空間多維控制器控制計算機內(nèi)六維虛擬裝配或虛擬現(xiàn)實控制等操作。 先進性 （1）空間多維控制器具有空間三維平移變量和三維轉(zhuǎn)動變量的同步檢測功能，可以實現(xiàn)操作者對三維模型的六自由度獨立控制，即沿標定的X、Y、Z三軸平移和繞三軸的轉(zhuǎn)動，而且也能夠?qū)崿F(xiàn)沿任意空間向量同時平移和轉(zhuǎn)動，其具有真實的空間操作運動感，能有效增強使用者的體覺感受。 （2）空間多維控制器的機械本體采用并聯(lián)結(jié)構(gòu)形式，通過改變機械結(jié)構(gòu)或調(diào)整軟件設(shè)置能夠方便的變換成2～5維的任意自由度控制，具有廣泛的適應(yīng)性。同時采用了冗余傳感技術(shù)，避開了并聯(lián)結(jié)構(gòu)算法復(fù)雜的難題，保證了實際操作時要求的快速響應(yīng)性等關(guān)鍵技術(shù)指標。因此，其具有適應(yīng)性強、可靠性高、實時性好三大特點。
獲獎情況及鑒定結(jié)果
- 無
作品所處階段
- 實驗室階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 不限
作品可展示的形式
- 樣機 以及交互式仿真系統(tǒng)一套。
使用說明,技術(shù)特點和優(yōu)勢,適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預(yù)測
- 特點：采用基于并聯(lián)機器人技術(shù)的空間機構(gòu)作為空間多維控制器的機構(gòu)本體，用三個直線位移傳感器和六個角位移傳感器通過實時采集各運動鏈相關(guān)位移傳感器信號實現(xiàn)任意方向的移動和轉(zhuǎn)動。優(yōu)勢：不僅可以實現(xiàn)傳統(tǒng)鼠標的平面操作功能，更可實現(xiàn)對三維物體的操作，能帶給用戶更真實的三維感受，操作便捷，定位準確，擺脫了傳統(tǒng)鼠標依賴組合鍵的缺陷。應(yīng)用范圍：空間多維控制器可以廣泛應(yīng)用于如今盛行的CAD軟件，大大彌補了傳統(tǒng)鼠標 在立體操作方面的不足;還可以應(yīng)用于三維游戲、虛擬環(huán)境、模擬現(xiàn)實、工業(yè)生產(chǎn)、手術(shù)控制等不同領(lǐng)域。推廣前景和市場分析：空間多維控制器是一個新興的鼠標市場，空間多維控制器操作簡便，快捷，能帶給用戶更真實的三維感受，同時它自身的科研價值也體現(xiàn)了時代的進步，有著廣闊的市場前景。同時，在信息技術(shù)高速發(fā)展的21世紀，虛擬現(xiàn)實技術(shù)、3D影音、3D游戲、三維桌面的研發(fā)與應(yīng)用勢必成為當今社會的主流?？臻g多維控制器就義不容辭的進入了跟三維操作系統(tǒng)配套的市場。所以空間多維控制器的市場無論從深度和廣度上都有很好的應(yīng)用前景
同類課題研究水平概述
- 隨著三維技術(shù)的發(fā)展，對可實現(xiàn)多維移動或轉(zhuǎn)動控制的需求逐漸增多，開始出現(xiàn)了三維操作系統(tǒng)，因此必然需要具有空間操作能力的空間多維控制器。多維與我們平時所使用的只有X、Y兩個方向平動的控制器相比，具有更多的運動表現(xiàn)形式。但由于多維控制器的功能十分復(fù)雜，目前國際上只有少數(shù)的科研機構(gòu)在開發(fā)研究。目前國外的科研機構(gòu)已相繼推出了各種不同的多維計算機輸入設(shè)備，這些輸入設(shè)備主要采用基于力/力矩的控制原理，國內(nèi)在多維輸入設(shè)備方面的研究起步較晚，目前只有較少的相關(guān)報道。 Bell實驗室的Kumar曾研制了一臺六維控制器，利用攝像頭跟蹤一個小型設(shè)備，該設(shè)備在一平面上帶有6個按特定順序排列的LED，每個LED都有對應(yīng)的開關(guān)控制。工作時，操作者拿著小型設(shè)備移動，攝像頭在固定位置采集圖像，然后根據(jù)圖像中LED的位置，利用特定算法求解出小型設(shè)備的移動方向和距離，從而6個LED可以模擬6個自由度，但由于采用圖像處理技術(shù)，因此實時性較差。Fjeld和Huang也分別提出基于圖像視覺處理的六維輸入設(shè)備，在立方體各側(cè)面設(shè)置不同顏色的標志點，再通過圖像系統(tǒng)實時測取立方體的空間位姿并輸入計算機控制虛擬場景。由于圖像處理對距離和角度分辨率較低，因此這種控制器要求操作空間很大，使用者需要在手部沒有任何支撐的情況下來回運動，容易產(chǎn)生疲勞。 河北大學開展的“基于力控制的虛擬實現(xiàn)六維鼠標研究”課題研制出新型的并聯(lián)機構(gòu)的六維控制器。該課題研究了Stewart并聯(lián)機構(gòu)六維力與力矩傳感器力敏元件結(jié)構(gòu)參數(shù)和各種性能參數(shù)指標的關(guān)系、六維控制器信號采集、放大和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，開發(fā)了集成A/D轉(zhuǎn)換器的動態(tài)應(yīng)變儀、6-SPS并聯(lián)機器人運動學反解軟件包、用于六維機器人控制系統(tǒng)虛擬控制的6-SPS并聯(lián)機器人動畫仿真軟件。還有一些空間非對稱全柔性三平移并聯(lián)機器人機構(gòu)、并聯(lián)機構(gòu)六維控制器的標定試驗與分析、三自由度并聯(lián)機構(gòu)的工作空間、四維并聯(lián)機構(gòu)的工作空間分析、空間三自由度并聯(lián)機器人機構(gòu)智能化等的研究。其他相關(guān)研究成果主要集中在六維力/力矩傳感器領(lǐng)域，多數(shù)采用了彈性鉸鏈實現(xiàn)對外界六維信號的感知。這些研究成果均屬于微動領(lǐng)域，雖然能夠完成六維信號的輸入，但是使用者基本上沒有類似于操作普通鼠標的真實感。 可見，國內(nèi)外的研究在該領(lǐng)域還遠未成熟，研制開發(fā)一種具有運動真實感、操作方便、成本低的六維控制器已經(jīng)刻不容緩，只有搶占先機才能盡早占領(lǐng)國內(nèi)外市場。
