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。     

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。     

遥操作和虚拟操作的实时柔性触觉再现装置研究

针对遥操作和虚拟操作的需要，提出了一种新颖的基于弹性梁有效变形长度控制的柔性触觉感知再现方法，并研制了实时柔性触觉感知再现装置。该装置通过调节弹性梁的有效变形长度，快速控制弹性梁的刚度变化，从而使操作者实时地感知到虚拟操作或遥操作对象的刚度和柔软性，准确地识别对象的物理特性和分类。     

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.     

大时延环境下的虚拟现实临场感遥操作系统

系统地讨论了基于虚拟现实技术的机器人无线遥控系统,并以液压伺服驱动的工程机器人为研究对象,搭建了具有临场感的机器人遥操作平台.针对遥操作中普遍存在的时延问题,采取视频监控与虚拟现实相结合的技术,通过在控制回路中引入仿真机器人和虚拟环境来解决.基于虚拟现实的遥操作,操作人员直接面向虚拟场景中的图形机器人来完成遥控作业任务,而现场端的视频信息反馈只起到辅助监控的目的,这样就可以利用图形机器人对操作者输入指令的即时响应来避开底层通讯时延的影响,现场机器人的动作是经过一定时间延迟后图形机器人运动的再现.实验表明,本系统可以较好地实现大时延遥操作中的临场感作业.     

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。     

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。     

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。     

基于电致振动效应的大面积多模态触觉再现系统

因大面积、多模态(力触觉、视觉等)融合的触觉再现终端具有较高的沉浸感和交互真实感,已成为该领域研究热点。基于高压驱动源、ITO导电层、绝缘膜等产生的电致振动效应,结合光学手指位置检测模块以及LCD显示模块,实现了基于摩擦力控制的触觉再现和视觉再现融合的多模态人机系统。通过手指摩擦力等级区分实验和静态场景虚拟物体纹理感知实验,验证了该触觉再现系统的有效性和真实性。     

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.     

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。     

可寻址光线屏蔽机制光学透视式增强现实显示系统研究

传统的光学透视式头盔硅示器存在不能正确显示虚拟物体和真实环境之间的遮挡关系和光强度匹配关系的问题，无法实现虚拟物体与真实环境的融合显示。针对传统光学透视式头盔显示器的特点，本文设计了一种新型的光学透视式头盔显示系统，引入可寻址光线屏蔽机制，使用灰度液晶作为可寻址的光学滤光器重新设计光学透视式头盔显示器，同时嵌入智能光调制机制，呵以实现增强现实显示中虚实物体的相互遮挡和光强匹配，同时解决了人眼观察虚拟图像和外界景物时眼睛聚焦不同的问题，实现虚拟物体与真实环境图像的融合显示。     

基于视触觉替代方法的盲教装置

针对盲童基础教育存在困难进行研究,提出并开发了基于视触觉功能替代的触觉盲教装置。借助该装置,视觉图文能够被转换为触觉图文并实时传送至视障学生的课桌上,使学生能够以主动触觉方式在课桌上的虚拟显示区域感知教师所讲授的课堂内容。初步实验表明,该装置能够帮助视障学生有效感知简单的文本和几何图形信息。     

触觉传感与显示技术现状及发展趋势

阐述了触觉感知、触觉传感及触觉显示等方面的国内外技术现状。在分析综合的基础上,指出触觉传感和显示技术已经逐渐脱离了最初紧密关联的临场感应用环境,两者分离并独立发展成为全新的学科方向已经成为一个趋势。触觉传感主要围绕智能机器人领域和康复医疗领域,而触觉显示除传统的机器人临场感及视觉功能替代应用外,还包括虚拟现实、电影电视、游戏娱乐、工业设计、制图绘画、教育培训以及工业触控屏等领域。最后给出了触觉领域的未来发展趋势。     

Hand gesture-based tangible interactions for manipulating virtual objects in a mixed reality environment

In the environment of mixed reality (MR) or augmented reality (AR), there have been several previous works dealing with user interfaces for manipulating and interacting with virtual objects aimed at improving immersive feeling and natural interaction. However, it is still considered that there must be much progress in supporting human behavior-like interactions for providing control efficiency and natural feeling in MR/AR environments. This paper proposes a tangible interaction method by combining the advantages of soft interactions such as hand gesture and MR and hard interactions such as vibro-tactile feedback. One of the main goals is to provide more natural interaction interfaces similar to the manipulation task in the real world by utilizing hand gesture-based tangible interactions. It also provides multimodal interfaces by adopting the vibro-tactile feedback and tangible interaction for the virtual object manipulation. Thus, it can make users get more immersive and natural feeling in the manipulation and interaction with virtual objects. Furthermore, it provides an alternative instruction guideline based on the analysis of the previous interaction while manipulating virtual objects, which makes it possible for the user to minimize manipulation errors during the interaction phase and the learning process, which guides the user to the right direction. We will show the effectiveness and advantage of the proposed approach by demonstrating several implementation results.     

三维物体空间再现技术中的全息图计算

全息空间再现技术可以记录三维(3D)物体并在空间重构出三维像,是真实地再现三维场景的一种新的可行方法。三维物体全息图的计算是全息空间再现技术中的关键技术之一。本文在简要论述三维物体计算全息技术的理论基础上,对具有代表性的三维物体全息计算方法的原理和技术要点进行了重点论述。采用了层析法、菲涅耳波带法、多视角投影合成全息法等三种方法进行了三维物体全息图的计算,并利用LCR-2500空间光调制器及650 nm的150 mW半导体激光器对层析法计算的三维物体全息图进行了光电再现,对其它两种方法获得的三维物体全息图进行了数值再现,并三种计算方法各自的特点和局限性进行了具体的分析。在对目前三维物体计算全息技术中存在的硬件和算法等关键问题进行分析的基础上,讨论了提高三维物体计算全息图的效率和质量的有效途径。     

数字全息三维显示关键技术与系统综述

三维全息显示能够表现出与真实物体一样的深度和视差,是一种理想的三维显示方法.但是,三维物体计算全息图计算复杂且计算量巨大,因此,如何快速生成三维物体计算全息图是数字三维全息动态显示中的关键问题之一.本文首先论述了数字全息三维显示的关键技术,包括物点散射法、体视全息法、层析法等三种三维物体计算全息图实现方法,一种RGB分离的真彩色全息显示实现方法和若干提高全息再现像质的方法;然后对几种最新典型的数字三维全息显示系统进行了技术分析;最后总结了数字全息三维显示领域的发展动态,指出三维全息显示技术会朝着实时、动态、更大尺寸、更高分辨率方向发展.     

Electro-tactile device for material texture simulation

This paper deals with the simulation of material texture by means of electro-tactile stimuli, which directly derive from real material properties. The research presents a novel tactile display by its hardware and software system architecture and the elaboration procedure to generate the stimulating signals, and validates the adopted simulation strategy by experimental testing. The tactile system elaborates data from scans of real material samples and generates electrical stimuli to reproduce roughness and texture coarseness sensations. It also adds a coherent sound feedback to improve the realism of the simulation. The research defines also an experimental protocol based on the theory of Psychophysics to carry out system calibration and tests with users. The scope is to validate the proposed tactile system as a new tool for material simulation, which can be adopted for material virtual prototyping in several fields (product design, textile and clothing, gaming and entertainment, virtual museum, rehabilitation, etc.). Experimentations have been carried out to measure the users’ response to our different material classes (wood, paper, rubber and textile fabric). Experimental results concern how good the adopted simulation approach is and the analysis of the human tactile perception simulated by the system. Main findings relate to the system performance and the users’ response in terms of signal recognition and material class discrimination.