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。     

一种基于图像处理的纹理力触觉建模和表达方法研究

纹理的力触觉表达不仅能增强虚拟环境的真实感,还能用于盲人的对环境感知和信息获取。提出了一种新颖的纹理的力触觉建模和表达方法。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。进行了实验并证明了方法的有效性。     

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。     

用于软组织变形仿真的层状菱形链连接模型

为提高软组织变形仿真的精度与实时性,提出一种新颖的、基于物理意义的层状菱形链连接模型.该模型中每层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接触力.利用6-DOFDelta手控器构建了力触觉交互实验系统,使用虚拟软组织模型进行按压、拉拽等交互操作,并通过反馈力产生触觉感.实验结果表明,该模型不仅计算简单,而且能够保证触觉接触力和变形计算具有较高精度;同时在交互过程中,力触觉感觉平稳、模拟效果逼真、满足虚拟现实系统对精细作业和实时性的要求.     

手术仿真中基于导纳控制的力触觉形变模型

为了在虚拟手术仿真中获得快速、准确的力触觉形变效果,提出一种基于导纳控制的力触觉形变模型.基于该模型,采用PHANTOM OMNI力触觉交互设备,以3DS MAX 2013,Microsoft Visual C++2012,Open GL函数库为基础搭建了实时柔性体力触觉再现系统,实现了虚拟双手对心脏双点的拉拽交互操作.感知实验和交互效率的结果表明,所提出的模型简单有效,形变效果逼真、视觉反馈流畅、力触觉反馈平稳,操作者对虚拟环境的感知和交互准确可靠,能够满足虚拟手术仿真系统的要求.     

基于接触有限元模型的虚拟手指力建模研究

触觉反馈是虚拟现实应用中使人获得沉浸感的重要方式。随 显示技术的日趋成熟,触觉和力反馈的研究的焦点之一,如何度量虚拟手在接触物体时反馈的力的大小 是力反馈中的首要一步,对此,该文在研究了力反馈类型的基础上,给和指与虚拟物体间的接触数学模型,提出了基于接触有限元的接触数学模型,并有杉ＡＮＳＹＳ对霏 均匀有理Ｂ样条的手指表面和虚拟按钮间的接触变形和力分布情况进行了计算,得出了力反馈所需要的接触力大小。     

振动触觉纹理再现技术研究综述

纹理力触觉再现是通过特定的硬件装置模拟产生与物体纹理表面接触时的触感，使用户能感受到物体的粗糙度、软硬度等纹理特征信息。振动刺激作为再现物体触觉信息的一种刺激方式，在纹理触觉再现中被广泛运用，产生了不同的振动触觉表达装置和纹理触觉表达方法。从纹理触觉认知的角度，阐述了人对振动刺激的触觉感知生理学基础；介绍了纹理触觉再现的原理和方法；从振动与纹理特征的映射方法以及振动刺激方式两个方面分析了目前振动触觉纹理再现技术的发展现状；最后对相关研究的发展进行了总结展望。     

遥操作机器人手控器的研究进展

手控器是遥操作机器人的人机接口的关键设备之一,力/触觉反馈对遥操作机器人系统具有重要的意义,如何实现有效的力觉和触觉反馈是机器人手控器研制中的核心问题.本文对手控器结构进行分类,并对力/触觉反馈形式作一概括.     

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.     

Electrostatic tactile display with thin film slider and its application to tactile telepresentation systems

A new electrostatic tactile display is proposed to realize compact tactile display devices that can be incorporated with virtual reality systems. The tactile display of this study consists of a thin conductive film slider with stator electrodes that excite electrostatic forces. Users of the device experience tactile texture sensations by moving the slider with their fingers. The display operates by applying two-phase cyclic voltage patterns to the electrodes. The display is incorporated into a tactile telepresentation system to realize explorations of remote surface textures with real-time tactile feedback. In the system, a PVDF tactile sensor and a DSP controller automatically generate voltage patterns to present surface texture sensations through the tactile display. A sensor, in synchronization with finger motion on the tactile display, scans a texture sample and outputs information about the sample surface. The information is processed by a DSP and fed back to the tactile display in real time. The tactile telepresentation system was evaluated in texture discrimination tests and demonstrated a 79 percent correct answer ratio. A transparent electrostatic tactile display is also reported in which the tactile display is combined with an LCD to realize a visual-tactile integrated display system.     

Development of multi-fingered dexterous hand for grasping manipulation

In this paper, a developed multi-fingered dexterous hand with flexible tactile skin is described. The dexterous hand has 5-fingers with 6-DOFs and each finger is equipped with a small harmonic drive gear and a fine high-power mini actuator. To achieve the goal of grasping with high accuracy, each fingertip is covered with the tactile array sensors for determination of the force between the finger and the grasped object. Some preliminary experiments are conducted to illustrate the performance of the grasping of the developed dexterous hand.     

元宇宙多模态触觉感知与交互的数据手套技术研究

为了提升元宇宙虚拟手交互的逼真性,研发了一种多模态触觉感知与交互的数据手套系统,该系统具有硬件集成度高、响应速度快、数据采集精确和轻便易穿戴的特点。人手穿戴此数据手套后,系统能够采集人手操作时的温度、指尖按压力和手指弯曲程度等数据,并把这些数据实时赋予给虚拟环境中的虚拟手,让虚拟手具有类似人手的动作行为和感知。提出了一种多通道循环采集数据方法,该方法可以高效且准确地捕捉温度、指尖按压力和手指弯曲程度等异构多模态数据,减轻了数据手套的硬件电路复杂性。实验结果表明,此数据手套在获取实时手指动作信息方面精度较高,提升了虚拟手动作的灵活性、直观性和自然性。     

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。     

Design of an optical soft sensor for measuring fingertip force and contact recognition

Among the various ways to estimate user intention in hand exoskeletons, a contact force measurement is definitely the most straightforward and intuitive method. A force sensor, located at the center of a fingertip usually, hinders the tactile sensation of the user by blocking the contact between an object and the fingertip. To overcome this problem, a soft force sensor with horse shoe shape is utilized to measure the contact force and provide the tactile sensation to the user. This work presents the mechanical design, implementation and evaluation of a soft fingertip force sensor. To maximize tactile sensation of the user, we adopted a horse shoe shape structure to leave the finger pad exposed. An optical sensing mechanism was selected for its relatively fast response compared to other soft sensors. The whole sensor system has a soft exterior providing flexibility and a user-friendly interface. To evaluate the sensor’s performance, we carried out sensor optimization process and calibration experiment with a customized test bed. Then, we investigated both static and dynamic response and observed the mechanical behavior and light intensity changes caused by the cross sectional shape and base/agent ratio of PDMS. Lastly, we applied the proposed sensor to the glove type fingertip force monitoring system. The sensor estimates the index finger tip force with high accuracy (R ² = 0:96) within 5N range.     

Influence of temperature profiles on thermal tactile sensation

The theoretical and experimental study of a thermal model describing the thermal response of skin when a finger contacts with materials are presented in the paper. Few studies have considered the influence of finger skin’s thickness on the thermal sensation. Therefore, the theoretical solution of the temperature change at thermoreceptors that function as thermal sensors during contact is given out. Also a principle model for reproducing thermal cues is proposed. When a thermal tactile display simulates a sensation of thermal presence, due to inter-individual variations, it is difficult to set the initial skin temperatures to a specific value. The concept of relative thermal recognizing profile is proposed and applied to deal with it, by which the skin initial temperature is measured instead of being set in simulating. The initial temperatures are measured at the beginning and then the corresponding temperature profiles are obtained to simulate the thermal cues of tactile sensation. The experimental results of material recognition were presented.     

一种三维力反馈手控器

结合力触觉感知的需要,设计了一种具有三维力反馈的手控器.介绍了三维力反馈手控器的工作原理及其控制电路的设计,该手控器通过电机驱动器控制手控器的三维输出,通过电机编码器获取人手运动所产生的运动三维编码信息,采用C8051F340的USB接口以方便上下行控制数据的通信,采用上、下行FIFO输入输出缓冲器以降低对控制器的实时性要求.最后设计了虚拟环境有限空间弹性球运动实验进行功能验证,并对所设计的手控器样机进行了性能测试.结果表明,所设计的手控器控制电路满足了手控器力反馈控制的需要,性能良好.     

虚拟手抓持力觉生成算法真实性的评价

目的 虽然许多学者研发了多种虚拟手交互触力觉生成算法,但是如何评价虚拟手交互触力觉生成算法的真实性是一个富有挑战性的新问题,值得深入研究.方法 构建手指抓持力测量平台,设计3种抓持姿态下指尖静力抓持球体实验内容,测得各指尖作用力的实测值;通过虚拟手静力抓持力觉生成算法,求得这3种抓持姿态下各手指作用力的理论值;对实测值进行统计和分析,并与理论值进行对比和讨论;结果 日常抓持经验和实测值是完全相符的,实测值和理论值很接近且偏差均在可接受范围之内.单个手指作用力或多个手指合力的实测值与理论值的偏差均在1%6%.结论 本文实现了一种基于物理的实验方法,评价和分析了虚拟手静力抓持力觉生成算法的真实性,证实此算法可以逼真地生成虚拟手抓持力,可应用于具有力反馈的自然的虚拟手交互.