基于混合驱动的柔顺性触觉接口装置

针对目前柔顺性触觉接口设备存在的容易失真的问题,提出了一种基于电机和磁流变液混合驱动的柔顺性触觉接口装置。在简单介绍了磁流变液的基础上,讨论了基于磁流变液被动驱动器的结构和原理,该驱动器采用多转子设计思路以增大力输出范围。利用磁流变液驱动器能够模拟肌体组织的黏滞性,电机能够模拟肌体组织的弹性,将驱动器与电机串联实现肌体组织的柔顺性再现,同时利用电机补偿驱动器非有益阻尼力,增强装置的保真效果。在此基础上设计了柔顺性触觉接口装置,对装置模拟自由空间、不同的变形程度柔顺性物体受力进行了介绍,分析了装置的控制方法,最后加工了触觉装置原型,开展了不同柔顺度虚拟肌体组织柔顺性再现实验,实验结果验证了所设计装置及控制方法的有效性。     

柔顺性触觉再现技术的研究

柔顺性触觉再现的研究难点主要集中在对触觉机理了解不深入、动态的感知过程、装置性能有限等方面.介绍了当前几种有代表性的柔顺性触觉再现装置:基于电流变液的触觉再现装置、气囊触觉再现装置、气动阵列触觉再现装置和基于弹性梁触觉再现装置.在此基础上讨论了这些装置的优缺点,并进行了比较.最后总结了柔顺性触觉再现技术的发展思路.     

新型智能材料在力/触觉反馈中的应用

新型智能材料电/磁流变液在电/磁场作用下,能够在几毫秒时间内由牛顿流体状态变为半固体状态.在简单介绍电/磁流变效应产生机理、特点的基础上,阐述了国内外几种典型的基于电/磁流变液体的力/触觉反馈设备的原理、结构和应用,比较了电/磁流变液的优缺点,总结了基于电/磁流变液设备的优势和存在的问题,展望了应用前景.     

力／触觉再现设备的研究现状与应用

力/触觉再现技术作为一种新兴的人机交互模式在虚拟现实系统得到较多应用。力/触觉再现设备是力/触觉再现系统实现过程中必不可少的环节,受到广泛的重视和研究。讨论了力/触觉再现设备的种类和特点,分类介绍了国内外力/触觉再现设备的研究现状,并作了分析比较。最后讨论了力/触觉再现设备在不同领域的应用,并探讨了其未来的研究发展趋势。     

基于RTX的力/触觉再现系统实时性实现方法研究

针对虚拟环境力/触觉再现系统中作用力计算的实时性要求,研究了Windows操作系统下循环控制的实现方法:时间查询法、多媒体定时器法和基于实时扩展RTX(real-time extension)的方法.利用Delta 6-DOF力/触觉手控器建立了一个基于PC的力/触觉再现原型系统,分别在系统空载、并存网络通信、并存音频播放和并存视频播放4种系统负载状态下对3种实现方法进行了实验.实验结果表明,基于RTX的方法能够获得较理想的实时循环控制性能,适用于力/触觉再现等需要较高实时性计算循环的应用系统.     

一种虚拟环境温度触觉再现仿真系统设计

分析了温度触觉感知特性,提出了手指和物体接触时各自表面的温度变化过程,结合单热源温度触觉再现装置设计了一种基于三维力反馈手控器的虚拟环境温度触觉再现仿真系统。手控器可控制虚拟手的动作,对虚拟物体进行温度和力的感知。仿真系统中能再现手指与不同热属性物体接触时的温度变化和力变化,且视觉效果逼真,体现了温度触觉再现的实时性和有效性。     

基于摩擦力控制的触觉再现系统研究

作为新兴的人机交互技术,触觉再现技术能够再现虚拟物体的表面特性,提高虚拟现实系统的真实性。在目前现有的触觉再现技术中,基于摩擦力控制的触觉再现技术能够实现连续的、精细的纹理触觉再现,已成为触觉再现领域的一个研究热点。因此,设计一套基于摩擦力控制的触觉再现系统就显得尤为重要。基于此,文中利用空气压膜效应原理,设计了一套基于摩擦力控制的触觉再现系统,该系统能够实现虚拟纹理的触觉输出。文中首先描述了空气压膜效应的产生机理,然后详细讲述了该触觉再现系统的整体构成,最后,通过一系列的触觉感知实验验证了该系统的有效性。     

用于触摸屏交互的可穿戴指端力反馈系统设计

力触觉再现技术在增强用户与触摸屏交互的真实感和沉浸感方面发挥着越来越重要的作用,设计了一种面向触摸屏图像信息感知的可穿戴指端力反馈装置。设计基于线绳牵引驱动的指端力反馈机构,将装置分为驱动和可穿戴部分,使其具备小巧、轻便、易佩戴的特点。设计测控系统,实现了输出反馈力的检测和控制。研究图像信息提取和力触觉建模算法,获取图像中物体的三维特征信息,配合力反馈装置和测控系统实现图像纹理高度、外形轮廓信息再现反馈。实验结果表明,该装置最大可以提供5.3 N的反馈力,能够帮助用户感知触摸屏中图像的高度和形状信息。     

纹理力触觉建模与表达技术研究综述

力触觉再现作为一种新兴的信息传递方式,对提高人机交互的真实感和准确性具有重要意义.纹理的力触觉表达是借助触觉反馈通道反映人与环境交互过程中物体表面凹凸特性.介绍了纹理力触觉表达的研究背景,阐述了纹理力触觉表达系统的基本原理,归纳了纹理力触觉表达的触觉特征提取和建模方法,并对不同类别的建模方法的特点和问题进行了分析,最后给出了纹理力触觉表达技术的未来研究方向和建议.     

基于STM32的力觉反馈装置及用于主从遥操作实现

在遥操作系统中为了增强现实及实现本地力觉信号再现功能以提高精细化操作的目的 ,设计了用于人机交互功能的力反馈装置;该装置为单自由度结构,基于步进电机驱动;利用STM32微控制器采集触觉力信号以及关节位移信号,通过设计基于力误差的控制律调整位置变量实现输出力信号与标准力信号的匹配;为了验证该力反馈装置进行了标准力信号再现实验;并且利用该力反馈装置作为主机械手与单自由度从机械手搭建遥操作装置,进行了力、位置双边跟踪实验验证,实现了主、从机械手力、位置协同一致的目的.     

Sensation-preserving haptic rendering

Most human-computer interactive systems focus primarily on the graphical rendering of visual information and, to a lesser extent, on the display of auditory information. Haptic interfaces have the potential to increase the quality of human-computer interaction by accommodating the sense of touch. They provide an attractive augmentation to visual display and enhance the level of understanding of complex data sets. A haptic rendering system generates contact or restoring forces to prevent penetration into the virtual objects and create a sense of touch. The system computes contact forces by first detecting if a collision or penetration has occurred. Then, the system determines the (projected) contact points on the model surface. Finally, it computes restoring forces based on the amount of penetration. Researchers have recently investigated the problem of rendering the contact forces and torques between 3D virtual objects. This problem is known as six-degrees-of-freedom (6-DOF) haptic rendering, as the computed output includes both 3-DOF forces and 3-DOF torques. This article presents an overview of our work in this area. We suggest different approximation methods based on the principle of preserving the dominant perceptual factors in haptic exploration.     

约束切换与阻抗显示力反馈设备的稳定性研究

􀁽研究了虚拟现实力觉交互系统中基于阻抗显示原理的交互设备丧失稳定性的原因以及振荡抑制方法.通过分析单边约束的特点,将复杂虚拟物体形状的感知和交互过程归结为动态单边约束的接触问题.采用力反馈设备Phantom建立试验平台,通过分析不同类型的单边约束下虚拟力信号的时间和空间分布规律,发现了动态单边约束交互仿真中产生振荡的原因.给出了基于虚拟力信号空间梯度的消除振荡的方法.试验表明,该方法可以有效抑制振荡,实现稳定的力觉交互控制.     

A Precomputed Approach for Real-Time Haptic Interaction with Fluids

The key to enhancing perception of the virtual world is improving mechanisms for interacting with that world. Through providing a sense of touch, haptic rendering is one such mechanism. Many methods efficiently display force between rigid objects, but to achieve a truly realistic virtual environment, haptic interaction with fluids is also essential. In the field of computational fluid dynamics, researchers have developed methods to numerically estimate the resistance due to fluids by solving complex partial differential equations, called the Navier-Stokes equations. However, their estimation techniques, although numerically accurate, are prohibitively time-consuming. This becomes a serious problem for haptic rendering, which requires a high frame rate. To address this issue, we developed a method for rapidly estimating and displaying forces acting on a rigid virtual object due to water. In this article, we provide an overview of our method together with its implementation and two applications: a lure-fishing simulator and a virtual canoe simulator     

小型化柔性触觉再现装置

提出了一种小型化的具有实时触觉反馈作用的人机接口装置的设计方法,以控制弹性梁的有效变形长度为核心,保证了触觉再现的实时性和准确性,从而可以在操作者指端大范围再现虚拟对象或远程对象的刚度。介绍了该小型化人机触觉再现接口装置的硬件设计和软件设计。该实时触觉再现接口具有尺寸小、刚度再现范围大,可方便与鼠标相结合等特点,可广泛应用于遥操作机器人和虚拟现实领域。     

A virtual reality keyboard with realistic haptic feedback in a fully immersive virtual environment

This study presents a 3D virtual reality (VR) keyboard system with realistic haptic feedback. The system uses two five-fingered data gloves to track finger positions and postures, uses micro-speakers to create simulated vibrations, and uses a head-mounted display (HMD) for 3D display. When users press a virtual key in the VR environment, the system can provide realistic simulated key click haptic feedback to users. The results of this study show that the advantages of the haptic VR keyboard are that users can use it when wearing HMDs (users do not need to remove HMDs to use the VR keyboard), the haptic VR keyboard can pop-up display at any location in the VR environments (users do not need to go to a specific location to use an actual physical keyboard), and the haptic VR keyboard can be used to provide realistic key click haptic feedback (which other studies have shown enhances user performance). The results also show that the haptic VR keyboard system can be used to create complex vibrations that simulate measured vibrations from a real keyboard and enhance keyboard interaction in a fully immersive VR environment.     

用于实时柔性触觉再现的平行菱形链连接模型

精度高且实时性好的柔性触觉变形模型是实现触觉再现系统的关键。提出了一种新的基于物理意义的平行菱形链连接触觉变形模型,系统中各个链结构单元相对位移的叠加对外等效为物体表面的变形,与之相连的弹簧弹性力的合力等效为物体表面的接触力。使用Delta 6-DOF手控器,建立了触觉再现实验系统,对柔性体的接触变形和实时虚拟触觉反馈进行仿真, 实验结果表明所提出的模型不仅计算简单,而且能够保证触觉接触力和形变计算具有较高精度,满足虚拟现实系统对精细作业和实时性的要求。     

手术切割模拟中基于模糊规则的触觉建模及绘制

This paper combines image processing with 3D magnetic tracking method to develop a scalpel for haptic simulation in surgical cutting. First, a cutting parameter acquisition setup is presented and the performance is validated from soft tissue cutting. Then, based on the acquired input-output data pairs, a method for fuzzy system modeling is presented, that is, after partitioning each input space equally and giving the premises and the total number of fuzzy rules, the consequent parameters and the fuzzy membership functions (MF) of the input variables are learned and optimized via a neurofuzzy modeling technique. Finally, a haptic scalpel implemented with the established cutting model is described. Preliminary results show the feasibility of the haptic display system for real-time interaction.