指端可穿戴式力触觉交互装置设计与评估

可穿戴式力触觉交互技术作为力触觉交互技术的一个分支,可以为操作者提供更为真实、自然的人机交互体验。设计了一种指端可穿戴式力触觉交互装置,装置由穿戴于腕部的控制盒以及穿戴于指尖的部分组成,穿戴于指尖的部分重约30 g,尺寸为38 mm×31 mm×50 mm。装置采用连杆机构,可实现三自由度的力触觉反馈。装置使用蓝牙通信,具有小型轻便、穿戴方便的特点。通过方向感知与识别实验证明,装置可在指腹面产生8个有效的方向性信息,而且每个方向都可以为人所正确感知。此外,虚拟环境交互实验证明,装置可帮助人在虚拟环境中控制交互力的大小,并提高人机交互的效率。     

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。     

具有视觉和力觉反馈的虚拟装配

在虚拟装配中，要使人们对装配对象和装配环境获得全面、逼真、自然的认识，除了视觉信息外，还应提供触觉、力觉等信息。在实现人与虚拟环境之间的视觉和力觉交互方面进行了初步尝试，通过建立虚拟对象的仿真模型和虚拟与现实世界之间的交互模型，利用常见的商用软件构造了虚拟装配环境和虚拟装配对象，研制和开发了二维力觉交互装置——力反馈鼠标，并通过实例进行了人与虚拟环境之间视觉和力觉交互的验证实验。     

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。     

虚拟环境下力觉交互的实现

对实现人与虚拟环境之间的力觉交互进行了初步尝试,在建立虚拟对象的仿真模型和虚拟与现实世界之间的交互模型的基础上,利用常见的商用软件构造了虚拟装配环境和虚拟装配对象,并通过一简单的力觉交互装置-力感鼠标进行了人与虚拟环境之间力觉交互的验证实验。     

基于力触觉感知与电刺激反馈的灵巧假手

针对生机电一体化灵巧操作假手这类典型共融机器人,开展结构优化、力触觉感知和临场感反馈功能重建的研究。为此,提出了一种用于欠驱动手指机构设计的交叉四连杆参数优化方法,该方法实现了手指运动轨迹最优、近指关节(PIP)扭矩与掌指关节(MCP)扭矩之比最大;提出了义肢手指与柔性压力传感器的集成设计方法,实现假手对抓握物体的实时力触觉感知;提出了基于电刺激的指端力触觉临场感反馈方法,实现对义肢抓握情况和握力的再现,增加操作者的本体感。该假手手指运动学与动力学仿真结果表明,所提出的连杆参数优化方法能够提升手指的抓握能力。对9名肢体健全受试者与1名前臂截肢患者进行灵巧假手控制试验,试验结果表明,所提出的指尖力触觉感知方法能够很好辅助受试者完成精细抓握控制;使用电刺激方式作为力触觉临场感反馈器具有更好的本体感知效果。同时,明显提升受试者在视觉受阻碍状况下使用假手完成抓取任务的成功率。     

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MEMS的水下触觉力传感器及BP网络标定实现

由于受到水压强影响,水下触觉力测量易产生交叉灵敏度,造成触觉力信号分辨困难的问题。针对此问题设计了基于MEMS的水下触觉力传感器。该触觉力传感器呈胶囊外形且为差压式结构,上侧感知水压强与触觉力信息,下侧感知水压强信息,通过在MEMS上下侧矢量叠加实现触觉力测量。设计了基于STM32的传感器数据采集电路及BP网络数据融合算法。通过构建4层BP网络,触觉力信号、温度信号、深度信号作为网络输入,真实触觉力值作为网络输出训练网络,将训练好的神经网络发送至STM32通过数据处理实现真实触觉力输出,传感器融合精度5%。文中设计的触觉力传感器具有的差压式结构能够消除水静态压强影响,并且结合BP网络数据融合算法实现了真实触觉力信号输出,对水下环境用触觉力测量具有重要意义。     

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。     

虚拟指尖力传感器的建模与实现

为了在灵巧手动力学研究领域提供更多的研究工具,根据真实三维指尖力传感器的原理,运用力传感器弹性体建模的方法,构造了虚拟指尖力传感器的模型。为了求解力传感器模型的弹性体变形量,采用了一种动力学方程数值积分方法。该虚拟指尖力传感器,通过在机器人灵巧手虚拟现实遥操作平台上的运用,实现了对抓取滑动的判断,并验证了模型的精度。最后,基于滑动的判断,系统确定了一种抓取策略,针对虚拟环境中灵巧手的自主抓取问题进行了有益的探索。     

基于Unity3D与Kinect的康复训练机器人情景交互系统

近年来,康复机器人技术的研究已成为康复医学工程与机器人领域跨学科的研究热点。为提高康复训练机器人的交互能力,将虚拟现实技术、机器人技术相结合,研究基于虚拟场景交互的下肢康复训练机器人系统,使用Kinect传感器采集人体的骨骼信息,并运用Unity3D游戏引擎和3D Studio Max软件开发了用于情景交互的虚拟场景,设计了患者与虚拟人物步态同步控制算法,实现了康复训练过程中的同步交互。实验结果表明,同步步态控制算法有效,人机交互良好,可帮助并激励中风患者实现主动的康复训练。     

一种具有三维力反馈的协同虚拟装配系统实现

在标准C/S结构的基础上,针对协同装配系统的特点,构建基于C/S结构混合式的协同虚拟装配系统的工作环境;采用基于C/P消息的数据传输方式实现系统中的同步控制;设计一种基于令牌的机制实现操作中的冲突控制;将三维力反馈技术应用于本系统,设计实时力反馈解算算法,最终实现了一种具有三维力反馈的协同虚拟装配系统。实验表明,该系统基本满足实时性、同步性和协同性的要求。     

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.     

遥控移动机器人触觉感知接口的实现

传感器技术在力反馈方面的发展促进了遥操作移动机器人技术的发展,在原有遥控技术基础上,增加了力反馈传感器,这样提供给远方操作者的除了图像和导航信息外,还有触觉信息,因此改进了遥控性能,文章描述了用力反馈操作杆实现的移动机器人触觉感知接口的软硬件实施方法,及通过网络实现的遥操作。     

基于虚拟现实手臂外骨骼康复系统的研究

将虚拟现实和外骨骼技术引入到肢体的康复工程，根据康复医学的运动疗法和作业疗法，为上肢残疾患者研制出手臂外骨骼康复系统，实现了手臂的运动控制，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手臂受到的作用力。提出手臂功能康复测评方法，并建立患者康复病案数据库。手臂外骨骼康复系统为患者提供有效的肢体功能恢复的工具。     

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。