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。     

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.     

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.     

基于纹理图像和用户动作信息的纹理触觉再现方法研究

近年来,对虚拟表面纹理进行工具介导的振动触觉再现已经成为触觉领域的一个研究热点。 针对已有的纹理触觉渲染 方法还存在适用范围窄、泛化能力弱、交互真实感低等问题,以改进后的 MelGAN 为基本网络,构建了一种新的纹理触觉渲染模 型。 该模型以纹理图像和用户的实时动作信息为输入,在能够高保真地生成振动触觉信号的同时,对常见纹理图像拥有更好的 泛化能力。 此外,设计了一款具有动作信息实时采集和振动触觉表达功能的笔式装置。 在采集了数据库之外的真实纹理表面 的振动触觉信号后,比较了提出的模型与已有方法在信号生成方面的性能差异。 结果表明,模型实现了最低的均方根误差 (0. 173),验证了其对未建模纹理进行触觉渲染的能力。 最后,使用笔式装置进行了两项用户实验。 平均 6. 01 的主观相似度评 分说明,即使是数据库之外的新纹理,模型也能为用户提供较高的纹理交互真实感。     

可穿戴式双通道指端力触觉反馈方法与系统

虚拟现实技术给予了人们全新的人机交互体验,而可穿戴式力触觉反馈装置则可以增强这类交互过程中的沉浸感与真实感。提出了可穿戴式双通道指端力触觉反馈方法与系统,系统采用蓝牙的无线通信方式以减少对手部运动的干扰,由微型电机提供最大为2.91 N的力觉反馈,由压电陶瓷振动器提供振动触觉刺激。装置重约110 g,具有体积小、易穿戴、对手部运动约束小的特点。为了验证装置的有效性,设计了对比实验。实验结果表明,相较于单通道力、触觉反馈以及无力触觉反馈,实验人员在双通道力触觉反馈的情况下可更高效率地完成虚拟环境中的任务。     

人机交互中的力/触觉设备进展综述

在虚拟现实和遥操作系统中,力/触觉接口是非常重要的人机交互设备.目前的力觉装置有外骨骼和固定设备、数据手套和穿戴设备、点交互设备和专用设备等,这些力觉装置中采用气动、液压、电机或磁场等驱动的主动式力反馈居多,也有基于液体智能材料的被动式力觉反馈.触觉的实现方法主要有由电磁(螺线管、发声线圈)驱动的机械振动,压电晶体、形状记忆合金驱动的探针阵列,气动系统,热力泵(塞贝克效应)系统等.     

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。     

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。     

双通道力/触觉交互的虚拟肺手术仿真系统

如何设计出交互性好、逼真、高实时性的虚拟手术仿真系统是当前虚拟手术领域研究的热点,以一种新颖的基于物理意义的层状菱形链连接模型为基础,利用SenAble Technologies公司生产的PHANTOM OMNI交互设备,搭建了支撑双通道力/触觉交互的虚拟肺手术仿真系统。通过虚拟双手对正常肺组织与肺硬块在多点交互下的按压、拉拽等变形仿真,分析了该系统的应用情况和性能指标。实验结果表明,将该模型应用于虚拟手术研究中,系统能动态实时逼真地模拟软组织的变形过程,反馈的力/触觉信息真实稳定,为虚拟手术仿真的实用化探索出一条可行的道路。     

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。     

鼠标形桌面主操作手的设计

为了实现对灵巧手的主从控制,设计了一个鼠标形桌面主操作手。主操作手将操作者手指的运动位置实时传递给从手,在从手抓取物体的过程中,利用直流电机作为主操作手的主动力反馈控制源,通过直流电机的驱动电路控制电机的转矩,将从手感受的力反馈给操作者。整个系统由DSP控制器进行控制。     

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。     

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.     

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。     

基于触摸屏交互的指套式盲文再现系统

在当今信息时代，传统的纸质盲文书籍在传播知识方面存在很多不足，逐渐无法满足视障人士的盲文阅读需求。受可穿戴装置的启发，提出了一种基于触摸屏交互的指套式盲文再现系统。根据标准盲文的结构特点、视障人士感知盲文的方式，以及指套式装置对小型化要求，设计了一种新型的盲文点执行器，并通过有限元分析对其结构和参数进行了优化。性能分析和用户实验的结果表明，提出的盲文点执行器具有刷新频率高、功耗低和体积小等优点，并能够实现在最高位和最低位的锁止操作。提出的盲文再现系统将便携的指套式装置与数据可刷新的触摸屏相结合，并利用4个压电陶瓷执行器的振动触觉反馈引导手指在触摸屏上的运动方向，为视障人士提供了一种便捷阅读盲文的新途径。     

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     

蓝牙技术在汽车驾驶盘控制系统的应用

控制系统采用蓝牙模块,主控设备采用STM32F103微控制器,将驾驶盘上触摸按键的信号采集并处理后送入蓝牙芯片进行无线发送;从控设备蓝牙模块接收到主控设备的信号后,从控芯片STM32F103根据不同的信号发送相应的指令通过CAN总线控制车辆导航、车载音响、车窗升降和车灯照明4大系统的操作,同时在触摸液晶屏显示。通过实验证明,本控制系统使大部分操作在驾驶盘上实现,汽车驾驶更便捷更安全,有较高的应用价值。     

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。