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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 空間多維控制器
- 來(lái)源：
- 第十二屆“挑戰(zhàn)杯”省賽作品
- 小類：
- 機(jī)械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡(jiǎn)介：
- 目前實(shí)際應(yīng)用的計(jì)算機(jī)鼠標(biāo)多數(shù)是兩維的，只具有平面兩個(gè)運(yùn)動(dòng)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(méi)有操作真實(shí)感。本項(xiàng)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(shí)使得操作者能在宏動(dòng)范圍內(nèi)具有較真實(shí)的移動(dòng)/轉(zhuǎn)動(dòng)感覺(jué)。
- 詳細(xì)介紹：
- 本項(xiàng)目研究的目的與意義： 目前實(shí)際應(yīng)用的計(jì)算機(jī)鼠標(biāo)多數(shù)是兩維的，只具有平面兩個(gè)運(yùn)動(dòng)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(méi)有操作真實(shí)感，而且在很多技術(shù)領(lǐng)域還有一些應(yīng)用限制。 本項(xiàng)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(jī)器人多維操作、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、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(shí)使得操作者能在宏動(dòng)范圍內(nèi)具有較真實(shí)的平移/轉(zhuǎn)動(dòng)感覺(jué)。 設(shè)計(jì)理念： 采用基于并聯(lián)機(jī)器人技術(shù)的空間機(jī)構(gòu)作為六維控制器的機(jī)構(gòu)本體，上平臺(tái)運(yùn)動(dòng)時(shí)通過(guò)實(shí)時(shí)采集各關(guān)節(jié)相關(guān)位移及轉(zhuǎn)動(dòng)信號(hào),由傳感器與下位機(jī)處理電路將信號(hào)通過(guò)USB通信傳輸給計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)經(jīng)過(guò)運(yùn)算處理及程序控制最終實(shí)現(xiàn)六維控制器控制計(jì)算機(jī)內(nèi)六維虛擬裝配或虛擬現(xiàn)實(shí)控制等操作。 制作方法： 1、機(jī)構(gòu)本體采用基于并聯(lián)機(jī)器人技術(shù)的空間機(jī)構(gòu)，用solid works建立三維模型，實(shí)現(xiàn)被操作對(duì)象在三維空間中的任意三維平動(dòng)和三維轉(zhuǎn)動(dòng)； 2、根據(jù)真實(shí)產(chǎn)品的要求，實(shí)時(shí)改變運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的位置，通過(guò)傳感器采集各導(dǎo)軌相關(guān)位移及轉(zhuǎn)動(dòng)信號(hào)，由并聯(lián)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)解算出其真實(shí)的空間六維輸入； 3、由下位機(jī)處理電路將信號(hào)傳輸給計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)經(jīng)過(guò)運(yùn)算處理及程序控制實(shí)現(xiàn)交互式仿真界面實(shí)時(shí)控制。 用途： 六維控制器可以應(yīng)用到娛樂(lè)、機(jī)器人仿真、醫(yī)學(xué)、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(jī)械手操作、模擬類虛擬場(chǎng)景的多維控制、機(jī)器人主從控制系統(tǒng)、飛行器仿真、手術(shù)控制等。 推廣價(jià)值： 新型六維控制器具有空間三維平移變量和三維轉(zhuǎn)動(dòng)變量的同步檢測(cè)功能，能夠大大簡(jiǎn)化人們使用普通鼠標(biāo)加鍵盤的復(fù)雜操作，具有體覺(jué)感受明顯、實(shí)時(shí)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(jī)器人多維操作、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、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(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- （1）具有空間三維平移變量和三維轉(zhuǎn)動(dòng)變量的同步檢測(cè)功能，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)計(jì)算機(jī)三維模型的六自由度的獨(dú)立控制。 （2）采用并聯(lián)結(jié)構(gòu)作為主體機(jī)構(gòu)，通過(guò)改變機(jī)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(shí)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(shí)現(xiàn)了實(shí)際操作中的快速響應(yīng)。因此，其具有適應(yīng)性強(qiáng)、可靠性高、實(shí)時(shí)性好三大特點(diǎn)
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 科學(xué)性 空間多維控制器是一個(gè)可以對(duì)三維物體進(jìn)行空間六個(gè)自由度操作的控制器。采用基于并聯(lián)機(jī)器人技術(shù)的空間機(jī)構(gòu)作為機(jī)構(gòu)本體，上平臺(tái)運(yùn)動(dòng)時(shí)通過(guò)實(shí)時(shí)采集各關(guān)節(jié)相關(guān)位移及轉(zhuǎn)動(dòng)信號(hào),由傳感器與下位機(jī)處理電路將信號(hào)通過(guò)USB通信傳輸給計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)經(jīng)過(guò)運(yùn)算處理及程序控制最終實(shí)現(xiàn)空間多維控制器控制計(jì)算機(jī)內(nèi)六維虛擬裝配或虛擬現(xiàn)實(shí)控制等操作。 先進(jìn)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(dòng)變量的同步檢測(cè)功能，可以實(shí)現(xiàn)操作者對(duì)三維模型的六自由度獨(dú)立控制，即沿標(biāo)定的X、Y、Z三軸平移和繞三軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，而且也能夠?qū)崿F(xiàn)沿任意空間向量同時(shí)平移和轉(zhuǎn)動(dòng)，其具有真實(shí)的空間操作運(yùn)動(dòng)感，能有效增強(qiáng)使用者的體覺(jué)感受。 （2）空間多維控制器的機(jī)械本體采用并聯(lián)結(jié)構(gòu)形式，通過(guò)改變機(jī)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(shí)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(shí)際操作時(shí)要求的快速響應(yīng)性等關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)。因此，其具有適應(yīng)性強(qiáng)、可靠性高、實(shí)時(shí)性好三大特點(diǎn)。
獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果
- 無(wú)
作品所處階段
- 實(shí)驗(yàn)室階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 不限
作品可展示的形式
- 樣機(jī) 以及交互式仿真系統(tǒng)一套。
使用說(shuō)明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說(shuō)明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)
- 特點(diǎn)：采用基于并聯(lián)機(jī)器人技術(shù)的空間機(jī)構(gòu)作為空間多維控制器的機(jī)構(gòu)本體，用三個(gè)直線位移傳感器和六個(gè)角位移傳感器通過(guò)實(shí)時(shí)采集各運(yùn)動(dòng)鏈相關(guān)位移傳感器信號(hào)實(shí)現(xiàn)任意方向的移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)。優(yōu)勢(shì)：不僅可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)鼠標(biāo)的平面操作功能，更可實(shí)現(xiàn)對(duì)三維物體的操作，能帶給用戶更真實(shí)的三維感受，操作便捷，定位準(zhǔn)確，擺脫了傳統(tǒng)鼠標(biāo)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(bǔ)了傳統(tǒng)鼠標(biāo) 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(shí)、工業(yè)生產(chǎn)、手術(shù)控制等不同領(lǐng)域。推廣前景和市場(chǎng)分析：空間多維控制器是一個(gè)新興的鼠標(biāo)市場(chǎng)，空間多維控制器操作簡(jiǎn)便，快捷，能帶給用戶更真實(shí)的三維感受，同時(shí)它自身的科研價(jià)值也體現(xiàn)了時(shí)代的進(jìn)步，有著廣闊的市場(chǎng)前景。同時(shí)，在信息技術(shù)高速發(fā)展的21世紀(jì)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、3D影音、3D游戲、三維桌面的研發(fā)與應(yīng)用勢(shì)必成為當(dāng)今社會(huì)的主流?？臻g多維控制器就義不容辭的進(jìn)入了跟三維操作系統(tǒng)配套的市場(chǎng)。所以空間多維控制器的市場(chǎng)無(wú)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(duì)可實(shí)現(xiàn)多維移動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)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(shí)所使用的只有X、Y兩個(gè)方向平動(dòng)的控制器相比，具有更多的運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)形式。但由于多維控制器的功能十分復(fù)雜，目前國(guó)際上只有少數(shù)的科研機(jī)構(gòu)在開發(fā)研究。目前國(guó)外的科研機(jī)構(gòu)已相繼推出了各種不同的多維計(jì)算機(jī)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(guó)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(bào)道。 Bell實(shí)驗(yàn)室的Kumar曾研制了一臺(tái)六維控制器，利用攝像頭跟蹤一個(gè)小型設(shè)備，該設(shè)備在一平面上帶有6個(gè)按特定順序排列的LED，每個(gè)LED都有對(duì)應(yīng)的開關(guān)控制。工作時(shí)，操作者拿著小型設(shè)備移動(dòng)，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(dòng)方向和距離，從而6個(gè)LED可以模擬6個(gè)自由度，但由于采用圖像處理技術(shù)，因此實(shí)時(shí)性較差。Fjeld和Huang也分別提出基于圖像視覺(jué)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(biāo)志點(diǎn)，再通過(guò)圖像系統(tǒng)實(shí)時(shí)測(cè)取立方體的空間位姿并輸入計(jì)算機(jī)控制虛擬場(chǎng)景。由于圖像處理對(duì)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(méi)有任何支撐的情況下來(lái)回運(yùn)動(dòng)，容易產(chǎn)生疲勞。 河北大學(xué)開展的“基于力控制的虛擬實(shí)現(xiàn)六維鼠標(biāo)研究”課題研制出新型的并聯(lián)機(jī)構(gòu)的六維控制器。該課題研究了Stewart并聯(lián)機(jī)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(biāo)的關(guān)系、六維控制器信號(hào)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(dòng)態(tài)應(yīng)變儀、6-SPS并聯(lián)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)反解軟件包、用于六維機(jī)器人控制系統(tǒng)虛擬控制的6-SPS并聯(lián)機(jī)器人動(dòng)畫仿真軟件。還有一些空間非對(duì)稱全柔性三平移并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)、并聯(lián)機(jī)構(gòu)六維控制器的標(biāo)定試驗(yàn)與分析、三自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)的工作空間、四維并聯(lián)機(jī)構(gòu)的工作空間分析、空間三自由度并聯(lián)機(jī)器人機(jī)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(shí)現(xiàn)對(duì)外界六維信號(hào)的感知。這些研究成果均屬于微動(dòng)領(lǐng)域，雖然能夠完成六維信號(hào)的輸入，但是使用者基本上沒(méi)有類似于操作普通鼠標(biāo)的真實(shí)感。 可見，國(guó)內(nèi)外的研究在該領(lǐng)域還遠(yuǎn)未成熟，研制開發(fā)一種具有運(yùn)動(dòng)真實(shí)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(jī)才能盡早占領(lǐng)國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)。
