基于共享控制的人机灵巧力触觉交互系统设计与实现

人能够在复杂感知的相互协调下做出决策并完成灵巧操作。将视听觉和力触觉等不同模态相融合,可以提高操作者对虚拟场景或远程环境的感知,进而改善操作效果。如何协调人的操作和虚拟环境中目标机器人系统的自主性,则是人机交互中的一个关键问题。为此,本文基于Unity3D引擎建立了虚拟场景,并实现了omega.7力反馈平台与虚拟场景之间的通信。进而,创建了基于碰撞检测的虚拟距离传感器,实现了虚拟场景中目标机器人对周围环境的探测。然后,设计实现了人机力触觉交互共享控制算法,将人的智能决策与灵巧操作优势同目标机器人的自主算法相融合,使得目标机器人系统的控制权限可以在人手操作和机器人自主算法之间连续平滑转移。由此,实现了人与虚拟环境和目标机器人之间功能多样、场景逼真的视听觉和灵巧力触觉多模态交互,从而为医学、康复、军事、娱乐等领域中的人机交互提供了一种解决方案。     

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。     

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。     

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。     

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.     

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。     

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.     

基于虚拟环境的遥操作机器人主从交互系统设计

针对遥操作机器人系统中的时延问题,设计了一种基于虚拟环境的机器人遥操作主从交互系统.利用Java/Java3D进行分布式虚拟环境以及虚拟机器人的三维建模;通过JNI方法建立主手设备与虚拟环境的交互接口.操作者通过操纵主手而对虚拟机器人进行关节驱动,提高了主从控制的实时性.     

基于有限元接触变形的光波导三向力触觉传感系统

通过有限元分析方法对一种新型光波导三向力触觉传感系统进行理论探讨和仿真实验，提出相应的数学模型，并设计专门的实验传感系统，实验数据结果验证了理论分析，从而在理论和实验上证明了该新型光波导三向力传感方案的可行性。     

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。     

面向触觉力反馈的可穿戴柔性执行器研究现状

随着最新一代电子产业在可穿戴性、轻便性、舒适性等方面的需求,近年来基于柔性电子材料的执行器设计制造技术已成为商业消费电子和科研领域关注的热点。柔性执行器由柔性材料加工制作,与刚性执行器相比具有更优的轻薄性、柔韧性和适形性,在可穿戴设备的触觉力反馈中可对皮肤产生多种深浅、节拍和加速度可控的多点作用力,协同产生捏、按、拉等触觉行为,并且整体装置轻巧便捷。分类综述针对触觉力反馈的柔性执行器技术,从主体材料和驱动原理两方面对柔性执行器的工作机制和优缺点进行总结,分析了柔性执行器在虚拟现实、教育培训、医疗辅助等领域的应用情况和潜在价值。对用于实现触觉力反馈的柔性执行器的问题和研究难点进行了总结,并得出设计出安全、舒适、美观、安静等性能优良的柔性执行器是促进未来人机交互的研究突破点。     

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。     

触觉反馈遥操作机器人关键控制技术的发展现状

针对现有的综述难以全面涵盖在触觉反馈遥操作控制领域的新成果与新方向这一问题,分析了传统双向控制结构,对国内外新提出的改进四通道控制方法、移动机器人异构双向控制、多向控制结构、通信干扰观测器等方法进行了论述。对关键的四通道控制方法进行了实验和评价,分析了存在定常／时变通信延迟时的稳定控制方法,从而理清了遥操作机器人控制领域的研究脉络与方向。研究结果表明,触觉反馈遥操作机器人的控制技术将按有、无通信延迟划分,在两个方向上并行发展：一方面将以四通道方法为基础提出新的异构形式和多机器人控制结构,并通过干扰抑制来提高系统透明性;另一方面将以无源性理论以及干扰观测理论为基础发展出适用于时变延迟的高透明双向控制和多向控制方法。