基于SFS技术的纹理力触觉再现方法研究

虚拟现实技术中,纹理的力触觉表达通常需要提取纹理表面的高度轮廓特征,从而再现纹理的凹凸感,而图像纹理则反映的是纹理表面的二维灰度特征.提出了一种根据图像灰度信息恢复表面三维轮廓(shape from shading,SFS),并用于纹理的力触觉表达的方法.采用Tsai & Shah算法从二维纹理图像中恢复出表面三维微观形状,并用力触觉模型渲染.该方法无需专门仪器测量物体表面的微观轮廓,无需设计专用的纹理力触觉表达装置.实验表明该方法是可行的,并通过对实验结果的分析给出了改进方向.     

用于触摸屏图像感知的指端力触觉再现系统

当用户与触摸屏交互时,有效和实时的力触觉交互技术对于增强现实感和沉浸感是非常重要的。设计了一种面向触摸屏图像信息感知的手指外骨架可穿戴式力触觉交互装置,利用平面四连杆机构作为外骨架传动机构,结合直流电机作为执行机构可为用户手部提供连续可控的力觉反馈,通过振动电机和压电陶瓷致动器提供两种类型的振动触觉反馈。该装置体积小、重量轻,功耗小,使用蓝牙通信,可扩展性强,方便使用及携带。为了表达图像中虚拟物体的空间力触觉信息,引入了实时的力触觉建模算法。当用户穿戴该装置在图像上滑动时,图像的一些特征信息将通过蓝牙与装置通信,包括每个像素点的形状高度和图像的边缘轮廓信息,能够使用户获得丰富的力触觉感受。最后,进行力触觉交互实验来评估该装置在表达触摸屏中图像的高度、轮廓和纹理等方面的性能。     

基于DELTA手控器的纹理的力触觉表达方法

纹理的力触觉表达不仅能增强虚拟环境的真实感,还能用于盲人对环境的感知和信息获取。本文提出了一种新颖的算法。它是基于图像处理的方法提取纹理表面的几何轮廓,根据物体表面粗糙特性,分别建立法向和切向的接触力模型,通过6自由度DELTA手控器实时作用于操作者,让操作者感受到触摸虚拟物体表面的作用力,从而实现纹理的力触觉表达。最后通过与传统的几种图像纹理的力触觉建模和表达方法比较实验证明了此种方法的有效性。     

面向自然人机交互的力触觉再现方法综述

力触觉再现技术借助力触觉人机接口设备,提供了操作者与虚拟环境之间的力触觉交互,使得操作者能够主动地触摸、感知和操纵虚拟物体,从而有效增强了虚拟现实等系统的真实感和沉浸感,进一步拓展了虚拟现实等技术的应用领域。传统的穿戴式、力反馈操纵杆式力触觉再现设备在便携性、操作空间等方面存在局限性,随着计算机技术与消费电子的快速发展,面向自然交互的力触觉再现方法受到广泛的关注。评述了传统的穿戴式、力反馈操纵杆式力触觉再现设备后,重点阐述了非固定式和非接触式的两类面向自然交互的力触觉再现方法。在对比分析不同的力触觉再现方法之间的差异后,探讨了面向自然交互的力触觉再现方法的未来发展方向。     

力／触觉再现虚拟现实系统的实现方法研究

力／触觉再现技术通过提供给操作者作用力的感觉,极大地增强了虚拟现实系统的真实感,并且拓展了虚拟现实技术的应用领域。该文论述了由力／触觉设备、操作者和计算机仿真环境组成的力／触觉再现虚拟现实系统体系结构,分析了系统实现过程中需要着重注意的系统稳定性问题,包括操作系统引入误差、作用力计算刷新率和速度估算等。最后,结合Delta力／触觉设备,实现了基于PC机的力／触觉再现虚拟现实原型系统并进行了实验。对于力／触觉再现的深入研究具有指导意义。     

纹理触觉再现技术的研究现状及发展

物体一个非常重要的触觉特征是它具有表面纹理信息,人们可以通过触摸物体获得这种感觉.在虚拟现实或遥操作领域,将虚拟的或远地的物体的纹理信息再现并作用于操作者手部,不仅可以增强系统的临场感,而且可以帮助操作者识别不同特性的虚拟物体.触觉再现技术近几年已成为虚拟现实和遥操作领域研究的前沿技术,文中介绍了当今世界上仅有的几种可以再现纹理触觉的方法,并比较他们各自的优缺点.最后,指出纹理触觉再现技术的发展思路.     

基于新型导电橡胶的三维力柔性阵列触觉传感器研究

针对目前多维阵列触觉传感器不能兼有柔韧性和测量多维力特征信息等难题,研究了一种基于导电橡胶的新型柔性三维力触觉传感器,通过检测橡胶的电阻变化来分析受力信息.该传感器的敏感单元采用"整体液体成型"的方法制作而成,操作简便,有利于触觉传感器的产品化.介绍了该传感器的基本结构及其工作原理,并对三维力的检测进行了仿真研究,结果表明该传感器能够实现对三维力信息的检测.     

基于电磁力控制的非接触式二维力触觉再现系统

力触觉再现提供了操作者与虚拟物体间的双向信息和能量交互,有效提高了虚拟现实等应用系统的真实感、沉浸感和 操作效率,成为人机交互的新兴技术和研究热点。 本文实现了一种新型的基于电磁力控制的二维力触觉再现系统,该系统由二 维背景电磁场产生和控制模块、指尖穿戴式永磁铁、人手位置检测模块和中央控制模块组成。 基于 ANSYS 有限元分析,确定了 系统中背景电磁铁线圈和指尖永磁铁的最优参数,获得指尖永磁铁所受电磁力与二维可控背景电磁铁驱动电流、指尖电磁铁位 置的映射关系,形成离线仿真数据。 提出了基于离线仿真数据实时插值的二维力触觉再现中电磁力控制方法。 在实现系统原 型的基础上,开展了作用力阈值感知基础实验和三维虚拟物体识别实验。 实验结果表明,两种三维虚拟物体的识别实验成功率 分别为 85. 7% 和 71. 4% ,有效验证了本文所设计力触觉再现方法的有效性。     

一种面向协同式触觉虚拟装配系统的触觉渲染方法

基于C/S结构的触觉式协同虚拟装配系统,提出了一种基于接触状态预测的协同式触觉渲染方法.该方法在服务端预测基本的接触状态,在客户端根据本地HIP的位置和从服务器端接收到的接触状态计算具体的反馈力,发送给该本地的触觉设备.该方法可以大大的减轻网络传输的负荷,减少由于HIP位置预测误差和网络延时扰动造成的反馈力计算误差.该方法适用于固定曲率和曲率小变化的曲线和曲面体的渲染.     

面向触觉图文实现的显示系统设计

为帮助盲人或视觉障碍人通过触摸达到学习和感受的目的,设计了触觉图文图像显示系统.触觉图文信息主要来源于视觉图文,研究了视觉一触觉图文转换以及与人体的触觉特性相适应的触觉数据结构,介绍了面向图文图像触觉显示系统.结果表明该系统可以实现2D、3D灰度图像的再现,使用者可以真实地识别图文图像信息.此外,扩大了面向图文信息的触觉显示的应用领域.     

基于力触觉手柄的虚拟环境力反馈交互系统稳定性分析

基于力触觉手柄的虚拟环境(VE)力反馈系统在人机交互领域得到广泛应用,稳定性是系统正常工作的前提。首先将力反馈设备、虚拟交互环境以及操作者作为独立模块单独建模,再基于阻抗再现方法建立力反馈交互系统闭环控制模型,并利用赫尔维兹判据推导了系统稳定的条件,利用频率响应函数分析了刚度和阻尼、零阶保持器的信号保持时间间隔以及操作者阻抗对系统稳定性的影响,给出了虚拟刚度、虚拟阻尼以及操作者阻抗等影响因素的临界稳定条件。利用研制的力反馈触觉手柄构建了实验系统并进行了实验研究,针对不同的力反馈频率和不同的阻抗分析了不同条件下的系统稳定性。实验结果证明了理论分析的正确性。     

Reverse driving character of 2-DOF closed chain haptic device

Reverse driving character plays an important role in evaluating the performance of a haptic device, and it is the primary rule in the mechanical design. This article mainly investigates the problem of 2-DOF haptic device design for improving reverse driving character. Firstly, a 2-DOF closed chain haptic device is designed in the paper and a physical prototype is produced in the factory; Based on the physical prototype, the 2-DOF haptic device is analyzed with the method of dynamics which is called Lagrangian equation, and the reverse driving character of the haptic device is evaluated by the Generalized Inertia Ellipsoid (GIE) which can be directly illustrated by a graph; With the help of changing the material of some components, the reverse driving character of the haptic device can be improved, so that an appropriate 2-DOF haptic device can be obtained in the design aftertime. __________ Translated from Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2005, 31(7) (in Chinese)     

人机交互中的力/触觉设备进展综述

在虚拟现实和遥操作系统中,力/触觉接口是非常重要的人机交互设备.目前的力觉装置有外骨骼和固定设备、数据手套和穿戴设备、点交互设备和专用设备等,这些力觉装置中采用气动、液压、电机或磁场等驱动的主动式力反馈居多,也有基于液体智能材料的被动式力觉反馈.触觉的实现方法主要有由电磁(螺线管、发声线圈)驱动的机械振动,压电晶体、形状记忆合金驱动的探针阵列,气动系统,热力泵(塞贝克效应)系统等.     

基于共享控制的人机灵巧力触觉交互系统设计与实现

人能够在复杂感知的相互协调下做出决策并完成灵巧操作。将视听觉和力触觉等不同模态相融合,可以提高操作者对虚拟场景或远程环境的感知,进而改善操作效果。如何协调人的操作和虚拟环境中目标机器人系统的自主性,则是人机交互中的一个关键问题。为此,本文基于Unity3D引擎建立了虚拟场景,并实现了omega.7力反馈平台与虚拟场景之间的通信。进而,创建了基于碰撞检测的虚拟距离传感器,实现了虚拟场景中目标机器人对周围环境的探测。然后,设计实现了人机力触觉交互共享控制算法,将人的智能决策与灵巧操作优势同目标机器人的自主算法相融合,使得目标机器人系统的控制权限可以在人手操作和机器人自主算法之间连续平滑转移。由此,实现了人与虚拟环境和目标机器人之间功能多样、场景逼真的视听觉和灵巧力触觉多模态交互,从而为医学、康复、军事、娱乐等领域中的人机交互提供了一种解决方案。     

Obstacle recognition using a haptic device

A haptic device is proposed which gives the user feedback information on their location and orientation of the obstacle through the mobile robot that detects the obstacle in an environment where the user cannot see.Mobile robot recognizes the exact position of the obstacle through configuring the nested ultrasonic sensor and giving feedback information to the haptic device.The haptic device consisting of five vibration motors can realize the haptic through the vibration of user＇s finger using the position information of the obstacle received feedback.In addition,it has high accuracy to recognize the surrounding environment and realizes the various situations with the fuzzy controller and the nested ultrasonic sensors.     

触觉反馈遥操作机器人关键控制技术的发展现状

针对现有的综述难以全面涵盖在触觉反馈遥操作控制领域的新成果与新方向这一问题,分析了传统双向控制结构,对国内外新提出的改进四通道控制方法、移动机器人异构双向控制、多向控制结构、通信干扰观测器等方法进行了论述。对关键的四通道控制方法进行了实验和评价,分析了存在定常／时变通信延迟时的稳定控制方法,从而理清了遥操作机器人控制领域的研究脉络与方向。研究结果表明,触觉反馈遥操作机器人的控制技术将按有、无通信延迟划分,在两个方向上并行发展：一方面将以四通道方法为基础提出新的异构形式和多机器人控制结构,并通过干扰抑制来提高系统透明性;另一方面将以无源性理论以及干扰观测理论为基础发展出适用于时变延迟的高透明双向控制和多向控制方法。     

基于虚拟现实踝关节康复系统的研究

将虚拟现实和机器人技术引入到踝关节的康复工程,根据康复医学的运动疗法和作业疗法,为患者研制出踝关节康复系统,实现了踝关节的运动控制,并构建了虚拟环境仿真平台.借助于触觉感知接口的力反馈作用可以使患者感觉到踝关节受到的作用力.提出踝关节功能康复测评方法,并建立患者康复病案数据库.踝关节康复系统为患者提供有效的运动功能恢复的工具.     

柔性触觉反馈驱动器研究进展

触觉交互界面作为用户与系统之间的重要沟通窗口,不仅能够满足用户对简单化、自然化的人机界面的需求,也是实现 直接、高效完成任务的关键因素。 触觉反馈驱动器作为触觉交互过程中的核心部件,能够模拟或复现多种形式的触觉信息,提 高用户在操作过程中的临场感与真实感。 近年来,柔性触觉反馈驱动器凭借着其轻量、柔顺、适应性强等特点,在人机交互场景 中展现了广阔的应用前景与价值。 首先,根据柔性触觉反馈驱动器对皮肤刺激形式的不同分为电刺激、机械刺激、热刺激 3 类, 并进一步重点阐述了各类驱动器的最新研究进展,主要包括了各类驱动器的驱动原理、结构设计、反馈形式等。 进一步地,介绍 了基于柔性触觉反馈驱动器所开发的触觉反馈设备在虚拟现实、遥操作、医疗等领域的应用。 最后,对当前柔性触觉反馈驱动 器所面临的问题与挑战进行了总结,并对未来的发展趋势进行了展望。     

磁流变技术在触觉反馈系统中的应用

介绍了磁流变技术在触觉反馈系统中的应用。分析了基于磁流变液的触觉反馈系统的基本工作原理,讨论了被动触觉力反馈装置和被动触觉反馈、主动控制系统的工作方式,为增强人机系统控制能力提出了一个可行的方向。     

机器人触感装置力位解耦控制策略研究

通过将触感装置关节处的摩擦计入到系统的动力学模型中，在现有的力位补偿方法基础上分别建立摩擦力、重力、惯性力补偿模型进行附加力补偿，对于附加位移也通过建立附加位移模型进行了补偿，从而有效地提高了系统透明性及稳定性，使触感装置的控制精度更高，抗干扰能力更强。