压电驱动器激励的触觉显示器结构设计及有限元分析

本文针对表面纹理质地触感再现,借助有限元软件ANSYS11.0,设计了压电驱动器激励的触觉显示器。利用压电陶瓷的逆压电效应,在压电双晶陶瓷片上下表面施加稳态正弦激励电压,激发整个装置共振;调节电压的峰峰值和频率,激发出不同的振动模式以得到不同的振动响应,从而产生不同的触感。根据粗糙度的定义证实了装置的可行性,为最终研制出一种组合式、高密度、可独立精确控制各振子振动模式的触觉显示器装置提供了可靠的依据。     

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。     

材料弹性对摩擦触觉感知的影响研究

材料弹性是影响触觉感知的物理属性之一，从皮肤的“感”和大脑的“知”系统研究材料弹性对触感的影响规律具有重要意义。通过对手指触摸不同弹性特征表面的摩擦、振动信号以及激发的触感脑电信号进行特征参数提取，建立了材料弹性模量E与触感特征参数的关系，实现了弹性表面触感的部分量化表征。结果显示：手指触摸橡胶材料的摩擦力以滞后摩擦分量为主；手指触摸陶瓷和塑料材料时滞后摩擦和黏着摩擦共同影响表面接触摩擦力。相关性分析显示材料E与手指触摸材料的摩擦因数μ、振动频谱最大幅值A_max、振动信号的递归参数角线长度均值L和垂直线段长度均值TT均呈负相关，表明材料E越小，振动系统的稳定性越差，复杂度越高。大脑触觉感知的加工时间为触摸开始后的200～400 ms之间，弹性触感激活的脑区主要是大脑中后部的顶叶区及枕叶区；相关性分析显示材料E和触感脑电P300峰值呈正相关，说明材料E越低，激发的大脑神经元兴奋度和注意力越低。手指触摸振动信号A_max与触感脑电信号的P300幅值负相关，表明触觉感受体的近端机械刺激与大脑的认知相关联。触摸过程的μ、A_max、...     

电触觉皮肤机理仿真与刺激模式量化评估

电触觉是目前虚拟现实技术触觉实现方法的重要手段,然而由于缺乏触感量化和不同刺激模式下同种触感再现效果比较方法,一定程度上阻碍着电触觉应用的广泛开展。本文以经典电刺激模型为基础,研究了不同刺激模式下3种皮肤机械感受器(Meissner触觉小体,Merkel触盘和Pancinian环层小体)的刺激响应,分析了3种机械感受器最优刺激范式,以及电极间距、数量等参数对于不同感受器响应的影响。首次引入神经纤维电位传导模型、对电触觉触感强度分级实验的机理和影响因素进行了理论分析和仿真实验,并以此为基础设计了不同刺激模式的实现方式。最后通过指尖电触觉心理学分级实验评价了不同模式下感受器的刺激效果,得到了对于两种感受器(Meissner触觉小体,Merkel触盘)独立刺激的最优刺激范式,为进一步提高电刺激触觉再现效果提供了理论和实验支持。     

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.     

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.     

基于振动加速度信息的触觉纹理分类方法研究

当手持刚性工具在材料表面滑动时,用户可以通过工具的振动来感受材料表面的纹理特征。这些振动加速度数据包含了丰富的纹理类别信息,为纹理的分类提供了基础。利用触觉进行纹理分类对于力触觉人机交互、机器人精细化操作等应用具有重要的意义。目前,手工设计与纹理相关的特征以及借助卷积神经网络进行简单的特征提取等方法已经被应用于触觉纹理分类。然而,这些方法未能关注时间尺度的选择和触觉序列数据间的时间依赖性,还存在触觉数据特征提取不充分和分类精度不佳等问题。为了解决上述问题,本文提出一种由多尺度卷积网络和双向长短时记忆网络相结合的融合模型,以便同时捕获触觉信号多尺度的几何局部空间特征和时间依赖特征。所提出的模型从公开的触觉数据集中学习材料表面纹理的触觉特征,并在公开的纹理振动加速度数据库上进行训练。实验结果表明,本文提出的模型可以稳健且高效地实现最高92.1%的纹理分类精度。     

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.     

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.     

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。     

背指式指端电触觉再现装置及其性能评价

本文针对电触觉再现问题,指出了一种区别于跨指关节式结构的新型地电极背指式指端电触觉再现装置。实验表明,这种结构的电触觉再现装置,具有工作电流小、易于安装调试、触觉再现时人体感官感受并区分不同电触点的能力强等优点。本文还定义了评价背指式指端电触觉再现装置的性能指标函数,并结合实验作了详细分析探讨。     

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。     

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。     

触觉显示技术及其发展趋势

首先阐述了触觉显示技术相关的触觉生理和触觉现象,然后介绍了触觉显示所采用的振动刺激、电刺激、射流刺激、气动刺激和顶针刺激等技术手段的现状,以及触觉语言设计问题,最后总结了触觉研究领域的热点方向和发展趋势,并对融合触觉、彩色触觉、时空触觉、斜坡触觉和多模接口等做了简要介绍.     

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。     

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。     

可视化触觉再现中变形计算的建模与实现

可视化技术用于触觉再现显著加强了力触觉再现的交互性,具有广阔的应用前景.触觉可视化的显示效果很大程度上取决于虚拟物体建模方法和受力变形的计算方法.文中以类椭球体作为研究对象,选择有限元方法,进行了物理建模和变形计算,并利用VC+ +对ANSYS进行二次开发,设计了类椭球体变形显示软件.实验表明该软件可视化程度高,交互性好、显示效果真实,为柔性物体可视化触觉再现系统的深入研究奠定了基础.     

具有应变式触觉传感器的机器人柔顺指端

针对机器人抓握处于重力场中的等截面均质杆件操作,提出一种具有应变式触觉传感器的机器人柔顺指端的结构。在机器人平行抓握中,利用金属弹性薄板做弹性元件,应变片做触觉触感单元,实现对物体的长度和质量的感知,在指端的表面封装电流体实现软／硬抓握,另外,着重讨论了抓握系统的传感原理,试验表明,这种机器人指端具有良好的识别能力和稳定抓握能力。     

面向触觉图文实现的显示系统设计

为帮助盲人或视觉障碍人通过触摸达到学习和感受的目的,设计了触觉图文图像显示系统.触觉图文信息主要来源于视觉图文,研究了视觉一触觉图文转换以及与人体的触觉特性相适应的触觉数据结构,介绍了面向图文图像触觉显示系统.结果表明该系统可以实现2D、3D灰度图像的再现,使用者可以真实地识别图文图像信息.此外,扩大了面向图文信息的触觉显示的应用领域.     

面向触觉图文实现的显示系统设计

为帮助盲人或视觉障碍人通过触摸达到学习和感受的目的，设计了触觉图文图像显示系统。触觉图文信息主要来源于视觉图文，研究了视觉-触觉图文转换以及与人体的触觉特性相适应的触觉数据结构。介绍了面向图文图像触觉显示系统。结果表明该系统可以实现2D、3D灰度图像的再现，使用者可以真实地识别图文图像信息。此外，扩大了面向图文信息的触觉显示的应用领域。