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。     

基于电致振动效应的触觉再现系统的设计与实现

触觉再现能够再现虚拟物体的表面纹理,在医学、军工、教育、娱乐等领域有重要的研究意义。本文研制一种基于电致振动效应的触觉再现系统,该系统通过增加手指和触觉面板之间的静电吸引力,进而增加手指和触觉面板之间的摩擦力,能够实现更为细致灵活的触觉再现。     

实时触觉再现接口的设计与实现

提出了一种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.介绍了该人机触觉再现接口装置的机械设计、传感器系统、直流伺服控制系统以及数据采集系统的设计.该实时触觉再现接口具有尺寸小、刚度再现范围大等特点,可广泛应用于遥操作机器人和虚拟现实领域.     

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.     

虚拟实验热触觉再现系统的设计与实现

针对目前虚拟实验热触觉装置缺乏的现状,设计了一种基于PTC（Positive Temperature Coefficient）加热片的热触觉感知复现系统。该系统利用HTC VIVE的红外定位,将虚拟环境下热源的空间位置映射为现实环境下制热模块的空间位置。根据虚拟实验中不同位置和不同温度的热源,使用两个步进电机控制热源的位置和方向,并提供4个自由度的热源定位方法;使用PID控制算法控制PTC加热片产生热风的温度,获得不同的热触觉感知。该系统以一种非接触式的触觉感知来呈现虚拟实验的热触觉,保证了热触觉产生的真实性。通过铝热反应虚拟实验,验证该系统的实用性,结果表明该系统的热触觉再现能够提高虚拟实验的真实感受,补偿触觉上缺失的热反馈。     

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。     

基于射流方法的几何图形触觉再现技术研究

针对触觉临场感技术中几何形状再现的问题,提出了基于射流触觉方法的几何图形触觉再现技术,论述了射流几何图形触觉临场感再现的原理,探讨了几何图形的触觉表达,并进行了相关实验验证.在实验的基础上,提出并讨论了关于几何图形再现的触觉满意度评估指标.     

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。     

基于音波技术的时空双通道机器人触觉再现系统研究

介绍了一种基于音波播放的时空双通道机器人触觉再现系统.系统采用音波播放技术提供触觉再现所需要的电流刺激信号和空间触点选通信号.时间通道的电流刺激控制信号和空间通道的触点选通信息均由音波处理软件根据系统需要预先设计生成.计算机声卡输出的双声道音波信号分别对应于时空两个通道的控制信息.上述信号进一步处理后将提供触觉再现刺激电流并选通相应触点.该触觉再现系统能够为操作者提供温和舒服的触觉感受.     

基于TCP/IP的远程触觉交互系统力反馈数据传输方法

时延、丢包是影响远程触觉交互性能和用户体验的重要因素。以实时传输和真实再现力反馈数据为目的,提出了一种基于TCP/IP的实时力反馈数据传输方法,该方法通过时延处理和插值预处理降低网络通信过程中对远程触觉感知造成的不利影响实验结果证明,该方法有效地解决了远程触觉交互系统中实时力反馈的信息再现与信息交互问题,在远程医疗、远程教学、虚拟现实等领域具有重要的应用价值。     

图像局部纹理特性的静电力触觉渲染

目的 触摸触觉设备感知物体时,需要实现视觉-力触觉同步反馈,其中图像-力触觉反馈难点在于再现更真实的纹理触感的触觉渲染过程。本文提出了一种基于图像局部纹理特征的静电力触觉渲染模型,实现了更加清晰、触感真实的图像纹理的静电力触觉反馈。方法 首先,采用局部傅里叶变换方法强化局部纹理特征,提取傅里叶变换系数分离出表征形状和局部纹理、边缘的频域分量。其次,对局部纹理特征进行力触觉渲染,建立局部纹理特征与驱动信号的映射模型,采用比例模型将局部纹理特征值转化为同等级的静电力表达。最后,根据静电力与驱动信号的心理学模型,由局部纹理特征控制不同驱动信号的输出产生静电力触觉。结果 进行纹理触觉对比感知实验验证算法有效性,62.5%的实验参与者偏爱基于图像局部纹理的触觉渲染算法反馈的纹理触感,本文算法可以模拟多种图像的纹理、边缘的触感。结论 算法在频域分离图像局部纹理、边缘和形状特征,建立纹理-力触觉渲染模型,针对大多数图片可以有效地增强纹理触感,提升触觉再现交互技术的沉浸感。     

Data-Driven Texture Rendering on an Electrostatic Tactile Display

In this article, we present a data-driven texture rendering method applied to a tactile display based on electrostatic attraction. The proposed method was examined in two steps. First, accelerations occurring due to sliding a tool on three different surfaces were measured, and then the collected data were replayed on an electrostatic tactile display. The proposed data-driven texture rendering method was evaluated against a conventional method in which a standard input such as a square wave was used for texture representation. Second, data from the Penn Haptic Texture Toolkit were used to generate virtual textures on the same tactile display. Psychophysical experiments were carried out for both steps, during which subjects rated similarities among the rendered virtual textures and the real samples. Confusion matrices were created, and multidimensional scaling (MDS) analysis was performed to create a perceptual space for further examination and to extract underlying dimensions of the textures. The results show that the virtual textures generated using the data-driven method were similar to the real textures. Roughness and stickiness were the primary dimensions of texture perception. Together with the supporting results from the MDS analysis, this study showed that the data-driven method is a viable solution for realistic texture rendering with electrostatic attraction.     

基于 OSG 的漫游系统的设计与实现

虚拟现实技术的提出,凭借真实的沉浸感、可交互性以及可构想性等这些优势,轻而易举地把现实世界通过计算机数字化中呈现出来。在城市建设、室内设计、工业设计、道路桥梁规划、旅游教学、房地产、古迹恢复、电力水利、地质灾害、虚拟校园等各个领域广泛应用虚拟现实技术,并对相应领域的发展产生了极大的帮助和推动作用。基于OSG的漫游系统正是基于此技术上的一项应用,该系统具备模型加载,点、线、面渲染,导航,漫游,雨、雪、雾特效,等功能。最终目标是希望实时呈现了一个逼真的、立体化的,能给人视觉、听觉、触觉感受的虚拟漫游系统。该漫游系统的实现有利于景区旅游资源充分开发利用,对广西师范大学建设规划具有重要的现实意义。同时,也是弘扬和传播广西师范大学校园文化的重要途径。     

分布式多交互虚拟场景渲染的协同控制

针对分布式多交互虚拟现实系统场景渲染的协同控制问题,构建了基于分布式开放灵活的多交互虚拟现实系统结构,将协同交互技术集成到虚拟现实系统设计中,设计包含控制平台、网络服务平台和渲染平台的系统架构,提出了一种基于OGRE的分布式多交互实时协同渲染方法。完成了单个控制节点对应多个渲染节点时,多个渲染节点渲染场景的实时同步,以及多个控制节点在同一场景中的协同、交互。此研究成果应用于河北大学虚拟漫游交互控制平台,具有广阔应用的前景。     

面向磁悬浮视触觉交互的多速率系统框架

非接触式磁悬浮视触觉交互克服了机械式交互的固有摩擦,具有广阔应用前景,但存在交互过程中虚拟工具穿透物体、图形渲染与触觉渲染速率不一致等问题。针对上述问题,提出面向磁悬浮视触觉交互的多速率系统框架,通过扩展三自由度（3-DOF）单射线触觉渲染方法,利用多射线对虚拟工具进行建模,避免工具穿透,实现六自由度（6-DOF）触觉渲染;通过多速率并行,实现速率不一致模块间相互协同;通过构建映射滤波算法,实现视觉定位数据到虚拟工具位姿的稳定映射。实验结果表明,该系统能有效避免交互过程中的穿透现象,并提供稳定、真实的视触觉反馈。     

虚拟演播三维实时渲染引擎控制器

研究了虚拟演播三维实时渲染引擎控制器的设计中架构、通信方式以及控制协议等相关问题.虚拟演播三维实时渲染引擎是虚拟演播技术核心技术部件,除了在渲染功能上与普通三维图形渲染引擎的区别,更重要的一个区别的在于面向虚拟演播的应用的控制器的设计.控制器的架构设计满足演播的要求,同时演播过程中对场景的控制需要通过控制器传输到渲染模块,控制器与渲染模块的通信方式设计为协议驱动的TCP方式,它保障了渲染的实时性同时也能保证控制协议的可扩展性,便于后续的研究及开发.     

基于上下文的分布式协同过滤推荐技术

针对传统协同过滤推荐技术应用于大规模动态数据集时难以兼顾准确度和效率的问题,提出一种基于上下文的分布式协同过滤推荐技术,引入推荐上下文的概念,并在此基础上充分考虑用户的即时兴趣以提高推荐的准确度,采用评分矩阵的分布式存储和计算以提高推荐的效率。实验结果表明,该分布式协同过滤技术能同时保证推荐的准确度和效率,使其在大规模动态数据集上的应用更具优势。     

基于协同虚拟环境的装配设计系统

针对分布式环境中复杂产品协同开发的装配设计需求,研究基于协同虚拟环境的装配设计系统的体系结构和关键技术,提出分布式条件下支持多用户实时交互操作的协同虚拟装配方法,包括复杂场景高分辨率实时渲染和多通道沉浸输出方案。以此为基础开发分布式协同虚拟装配环境,并通过面向汽车整车的多用户协同虚拟装配实例验证了系统的有效性。结果证明,用户可在该系统中完成复杂产品的协同虚拟装配设计工作。     

Improvement of Tactile Sensation of a Bilateral Forceps Robot by a Switching Virtual Model

Interest in tele-operation started many decades ago. Today, tele-operation is becoming a reality with improved tele-communication systems. Bilateral control is also a subset of tele-operation. Usually in bilateral control, force position information is exchanged between a master and a slave. This structure successfully transmits tactile sensation from the slave environment to the master operator. A bilateral control system is capable of transmitting tactile sensation to the master side. This capability is also known as the transparency of the system. If bilateral control is used in a surgery, ideally the medical doctor should sense the feeling coming from the body tissue together with the reaction force of the special surgical tool. We have previously proposed a method to eliminate the special surgical tool with a simple tool tip and a virtual tool model. However, a physical tool as well as the proposed virtual tool add impedance to the system. Even if a virtual model is used, impedances are essential to carry out the tool action. In this paper, a novel method is proposed to switch off and on the virtual tool model when the tool action can be replaced by the environmental reaction forces. An experiment was carried out using a bilaterally controlled forceps robot. Results show the applicability of the idea.