电刺激和摩擦力控制融合的多模态触觉再现方法研究

摘要

近年来，触觉感知被认为是可以替代或补偿视觉和听觉信息的很有前景的信息传递方式，因而受到了广泛的关注。触觉感知不仅可以帮助盲人或视弱者提供一条获取信息的新渠道，也可以丰富正常人的信息获取方式，提高信息交互的效率。本论文开展了基于电刺激的可穿戴的触觉再现设备和基于电刺激和电致振动摩擦力控制融合的多模态触觉再现系统的研究。
　　首先分析了人类触觉感知的生理基础、电刺激触觉再现的理论基础和电致振动摩擦力控制的触觉再现的理论基础，并分析了电致振动效应中静电力的影响因素，提出了电刺激和摩擦力控制融合的触觉再现方法。
　　在理论分析的基础上，本文设计并研制了基于电刺激的可穿戴的触觉再现设备、基于电刺激和摩擦力控制融合的多模态触觉再现系统。这两种系统主要由触觉面板模块、基于TM4C123微处理器的中央控制模块、电极阵列激励信号控制模块和高压电压源模块构成的，并且设计了两种系统的硬件方案和软件方案。
　　对于基于电刺激的可穿戴的触觉再现设备，本文采用了触觉电极静态显示和触觉电极动态显示的方法并开展了基于电刺激的电压感知阈值实验、激励信号最佳参数实验、空间分辨率实验、简单字符的识别实验和大写英文字母的识别实验。实验结果表明，本系统中简单字符的平均识别成功率在95.2％左右；大写英文字母的平均识别成功率在82.0%左右。实验结果验证了所设计的基于电刺激的可穿戴的触觉再现设备能够成功地实现信息的感知。
　　对于基于电刺激和电致振动摩擦力控制融合的多模态触觉再现系统，本文开展了基于摩擦力控制的电压感知阈值实验、空间分辨率实验、简单字符识别实验、大写英文字母识别实验、复杂字符识别实验、基于电刺激的简单字符识别实验、大写英文字母识别实验、复杂字符识别实验、基于电刺激和电致振动摩擦力控制融合的大写英文字母识别实验和复杂字符识别实验。实验结果表明，本系统中单一电刺激和单一摩擦力控制的简单字符的平均识别成功率都在94.0%左右，触觉感知效果很好；电刺激和电致振动摩擦力控制融合的大写英文字母的平均识别成功率（85.4%）高于单一电刺激（78.3%）和单一摩擦力控制（70.8%）；电刺激和摩擦力控制融合的复杂字符的平均识别成功率（89.0%）仍然高于单一电刺激（82.3%）和单一摩擦力控制（70.3%）。实验结果验证了电刺激和电致振动摩擦力控制融合具有更强的触觉感知效果，能够更好的实现信息的感知。
　　本论文开展了基于电刺激的可穿戴的触觉再现设备的研制，研究了人手腕对于电刺激的触觉感知特性；开展了基于电刺激和电致振动摩擦力控制融合的多模态触觉再现系统的研究，研究了人手指对于电刺激、摩擦力控制和两者融合的触觉感知特性。所设计并研制的系统可以很好地实现从外界获取信息的途径，为实现更好的触觉再现效果奠定了基础。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 研究背景和意义

1.2 国内外研究现状

1.3 存在的问题和发展趋势

1.4 本文的研究内容和章节安排

第二章 电刺激和摩擦力控制的触觉再现的理论基础

2.1 触觉感知的生理基础

2.2 电刺激触觉再现的理论基础

2.3 摩擦力控制触觉再现的理论基础

2.4 本章小结

第三章 电刺激和摩擦力控制融合的触觉再现系统的总体方案设计

3.1 电刺激和摩擦力控制融合的触觉再现系统的硬件方案设计

3.2 电刺激和摩擦力控制融合的触觉再现系统的软件方案设计

3.3 本章小结

第四章 基于电刺激的可穿戴的触觉再现设备

4.1 基于电刺激的可穿戴的触觉再现设备的硬件方案设计

4.2 基于电刺激的可穿戴的触觉再现设备的软件方案设计

4.3 基于电刺激的可穿戴的触觉再现实验和数据分析

4.4 本章小结

第五章 电刺激和摩擦力控制融合的多模态触觉再现实验和数据分析

5.1 电刺激和摩擦力控制融合的实验方案设计和系统的实验环境

5.2 基于摩擦力控制的触觉再现实验

5.3 基于电刺激的触觉再现实验

5.4 电刺激和摩擦力控制融合的触觉再现实验

5.5 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 工作总结

6.2 未来研究方向

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文

附录