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。     

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。     

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。     

基于PDE方法的图像力触觉再现方法研究

针对基于图像的力触觉再现技术中目标的轮廓形状与细节纹理容易混淆从而影响判断的问题,提出了利用偏微分方程将图像的轮廓形状信息与细节纹理信息分离,然后针对各自特点分别采用不同方法进行力触觉渲染.其中轮廓形状信息采用SFS技术从二维图像中恢复出三维表面模型,并用God-object算法进行力触觉渲染;细节纹理信息则直接用图像灰度值计算法向力和切向力来进行力触觉渲染.实验结果表明,该方法可行,能够有效地减少基于图像的力触觉再现中的误判现象,提高操作者对虚拟环境的力触觉感知和识别能力.     

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。     

触觉显示器及其振动激发方式

触觉再现作为下一代虚拟现实技术已成为国际上的开发热点。触觉再现就是通过控制触觉显示器的某种物理效应提示,让手指在触摸时产生相应的触感,从而实现人机触觉信息的交互。该文介绍了触觉显示器的基本工作原理,综述了几种比较典型的触觉显示器激发方式,指出了触觉显示器的发展趋势。     

利用虚拟现实和力反馈的遥现技术综述

介绍遥现系统中３个最主要的组成部分：力反馈手控制器、虚拟现实装置和高级操作者界面。力反馈手控制器提供触觉反馈;虚拟现实装置给操作者提供远地工作现场的３－Ｄ视图;高级操作者界面允许操作者易于对远程系统进行控制、建模、规划和仿真     

一种新型电触觉再现阵列的研制

触觉再现技术是遥操作智能机器人发展的急需。如何使操作者舒服有效地感受远地触觉信息是遥操作智能机器人研究中亟待解决的关键问题。论文在长期触觉再现实验研究的基础上提出了一种新型具有半圆头形刺激电极的电触觉再现阵列，实验表明，该电触觉再现阵列可以明显地改善操作者的电触觉感受，具有非常重要的应用价值。     

水射流机器人触觉临场感再现技术研究

介绍了一种新型水射流机器人触觉再现技术.该技术采用水射流提供机器人临场感触觉再现所需的压力刺激,触点阵列各触点处有一个与压力水源相连的开口水射流喷头,喷头与压力水源之间有电磁阀控制水射流的通断,当需要通过触点阵列为操作者提供触觉感觉时,触觉阵列相应触点处的喷头即与压力水源连通并喷射压力水流,水射流在操作者的皮肤表面形成压力斜坡,从而使操作者获得触觉感觉,由于水流可以带走皮肤表面的能量,因此操作者皮肤表面水流接触处还将形成温度斜坡触觉.压力斜坡和温度斜坡共同作用可以为操作者提供压力温度融合触觉感觉.     

一个三自由度力觉接口设备硬件系统的设计

介绍了一个新型三自由度的力觉接口设备系统的设计,并以此为基础,建立了一个能够让操作者获得沉浸感的虚拟现实系统。     

Analysis and Design of a Haptic Control System: Virtual Reality Approach

In this paper, the analysis and design of telerobotics based on the haptic virtual reality (VR) approach for simulating the clay cutting system is proposed. The main components of the approach include a user interface, networking, simulation, and a robot control scheme. The telerobotics for the clay cutting system and the environment is simulated by a haptic virtual system that enables operators to feel the actual force feedback from the virtual environment just as they would from the real environment. The haptic virtual system integrates the dynamics of the cutting tool and the virtual environment whereas the handle actuator consists of the dynamics of the handle and the operator on the physical side. The control scheme employs a dynamical controller which is designed considering both the force and position that the operator imposes on the handle and feedforward to the cutting tool, and the environmental force imposed on the cutting tool and the feedback to the handle. The stability robustness of the closed-loop system is analysed based on the Nyquist stability criterion. It is shown that the proposed control scheme guarantees global stability of the system, with the output of the cutting tool approaching that of the handle when the ratios of the position and the force are selected correctly. Experiments in the virtual environment on cutting a virtual clay system are used to validate the theoretical developments.     

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。     

一个多感知虚拟现实系统的建立

建立了一个基于视觉、听觉和力觉融合的多感知虚拟现实系统。采用一种新型解耦双并联结构的6自由度主操作手实现人机交互并提供力觉感受;设计了基于OpenGL与OpenAL的软件引擎,在PC机上实现了高性能的立体视觉与听觉。通过一个虚拟乒乓球掂球实验验证了本系统的高性能与控制方法的有效性．     

基于 Marker-SLAM 的视触觉增强现实交互算法

视触觉增强现实是将触觉感知加入到增强现实中的一种新技术。 不仅可以融合真实场景和虚拟对象,还能实现视觉和 触觉的同步感知。 基于 3D Systems Touch 触觉设备提出一种新的视触觉交互算法。 首先,基于 Marker-SLAM 算法搭建增强现 实环境,用于实时获得相机在地图中的位姿;其次,为了将触觉信息融入到增强现实环境中,提出基于无跟踪器的触控笔尖端姿 态优化算法;最后,分别采集测量点在触觉和世界坐标系中的三维信息,通过确定两个坐标系间的刚性变换,将触觉设备的正向 运动模型映射到增强现实空间中。 所提出的跟踪注册方法的注册准确率均达到 90% 以上,与基于跟踪器的方法相比,所提出的 姿态优化算法获得的校正位置的平均误差为 2. 3±0. 2 mm。     

虚拟场景中机械模型的实时交互式显示

基于图象（Image-based）的虚拟场景建立方法和多分辨率（multiresolution）分析是近年来虚拟现实技术及三维图形处理的新方法，文中以全影视频技术建立虚拟场景，并对调入其中的机械三维模型采用多分辨率表示，为充分利用PC机来实现虚拟现实系统开辟了一条新途径。     

Virtual Reality Application for Direct-Drive Robot with Force Feedback

Most of the current virtual reality systems use geometric models and non-sensing robots for simulation, which cannot provide an insight into the real operation of the task. In this paper, we present a new type of telerobotics based on the haptic virtual reality (VR) approach for simulating hitting a ball with force feedback attached to a human arm. The main components of the approach include a user interface, simulation, and a robot control scheme. The user interface is implemented as a combination of a virtual paddle and a graphic interface. The human operator manipulates a direct-drive type handler in the simulated environment, and the environment is simulated by the haptic virtual system that enables the operator to feel the actual force feedback from the virtual environment just as she/he would from the real environment. The haptic virtual system integrates the dynamics of the direct-drive active paddle and the virtual environment, whereas the paddle actuator consists of the dynamics of the paddle and the operator on the physical side. The control scheme employs a dynamic controller that is designed considering the force from the operator imposed on the paddle, and the force from the environment imposed on the paddle and feedback to the human arm. Experiments in the virtual environment on hitting a virtual ball system are used to validate the theoretical developments. ID="A1"Correspondance and offprint requests to: M.-G. Her, Graduate Institute of Mechanical Engineering, Tatung University, 40 Chung-Sang North Road, 3rd Secto, Taipei, 10451, Taiwan. E-mail: kshsu@kyit.edu.tw     

基于虚拟现实的踝关节康复机器人的综述

根据国内外踝关节康复器械的研究现状,提出了基于虚拟现实的踝关节康复机器人的构成,其本质是一种触觉感知接口。从医学、虚拟现实技术和触觉感知接口技术的角度,阐述了亟待解决的虚拟现实建模、三维图形处理、系统融合、透明性、灵敏度等关键技术。分析了康复方案及功能评价策略的制定。