力触觉操控性能的实时测量分析系统设计文献综述

 2023-08-07 16:06:51

文献综述(或调研报告):

力触觉反馈技术(Haptic or Tactile Feedbacks)能通过作用力、振动等一系列动作为使用者再现触感。这一力学刺激可被应用于计算机模拟中的虚拟场景或者虚拟对象的辅助创建和控制,以及加强对于机械和设备的远程操控。

  1. 力触觉及力触觉再现的基本原理

力触觉是指人与真实环境相互作用过程中所产生的力觉与触觉的总称[1]。它是广泛存在于真实世界的不可或缺的感知形式,简单分为三类:人体感知(生物神经)、机器感知(传感器)、虚拟感知(数学模型)[2]。

力触觉再现是借助各种力触觉装置所产生的不同机械/电刺激来模拟人体所感受的物理感受。但原来的力触觉再现技术仅仅用采集到的力触觉信息,仅仅根据物理典型模型(如F=kx)进行还原,并且在过程中还受到到其他多种因素的干扰,不能满足研究的需要。力触觉再现可分为几何约束、图像处理、基于实际测量的方法。前两种因准确度、易受外界干扰等问题,现在人们多采用后一种基于实际测量的方法。它是指先利用传感器测得人体接触物体时产生的力、速度和加速度信号,对获得的信号进行分析处理,然后,根据处理后的数据提出一个符合人体感知规律的力触觉模型,使得该模型不仅能够反映真实物体表面的客观特征,还可以反映出人的感知规律的不同对物体表面的影响,最后,使用力触觉反馈装置进行模型再现,从而让人感受虚拟物体的粗糙、形状、软硬触觉。

  1. 力触觉再现模型

力触觉再现的建模可分为两类:基于图像特征的触觉力触觉建模和基于物理测量力触觉建模。

2.1基于物理特征建模方法

图像处理是力触觉客观特征常用方法之一。早期,Minsky等人使用2自由度的触觉渲染方法建立了二维纹理力场与梯度场的映射模型,纹理力的大小与高度值的梯度成正比,方向为从高度大的区域指向小的区域[3][4]。后来Ruspini等人提出了基于虚拟代理的纹理力触觉渲染方法,随后又扩展到三维空间[5]。随后,东南大学吴涓等人提出了一种对物体图像进行高斯滤波获得高频物体特征的方法[6],东南大学李佳璐等人提出了一种基于图像的触觉表达算法,该算法可以从图像信息中恢复三维几何形状,建立三维模型并进行力触觉渲染,实现了由图像明暗信息恢复物体表面几何形状的力触觉表达[7]。

2.2基于物理测量建模方法

前期的一些力触觉实验中,人们发现客观特征建模得到的模型不能很好地反映人体的感知规律,所以,基于人机交互的实际测量的主观特征方法成为主流。2007年,Andrews和Lang等人提出应用自行设计的纹理触觉传感器对物体进行扫描,降火的信号滤波后,映射到虚拟物体的三维形状上达到纹理渲染的效果[8]。2010年,美国William M等人通过实验发现扫描加速度能有效地表征人主观感知的纹理触觉[9]。近期的研究中,Cullbertson H提出的力触觉建模对粗糙度、振动以及刚度建模,它考虑了不同因素对建模的影响,但并没有考虑他们之间的耦合作用[10][11]。

3.力触觉再现的装置

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