基于双向摩擦力控制的触觉再现系统

摘要

触觉再现能够表达虚拟物体的表面特征，提高虚拟现实系统的真实感，因而成为人机交互领域内的研究重点。在现有的触觉再现方法中，基于摩擦力控制的触觉再现方法可以实现连续、精准的摩擦力控制，因而成为更有前途的方法。考虑到空气压膜效应可以减小操作者手指和接触面板之间的摩擦力，电致振动效应可以通过静电吸引力增大手指和接触面板之间的摩擦力，电磁力可以产生排斥力和吸引力。本文通过将空气压膜效应、电致振动效应以及电磁力控制相融合，开展了摩擦力系数控制范围更为宽泛的、基于双向摩擦力控制的触觉再现方法研究。
　　本文首先阐述了空气压膜效应、电致振动效应以及电磁力控制的基本原理，利用有限元分析软件研究了空气压膜效应中面板尺寸与面板振动幅度的关系；研究电致振动效应中电极阵列电压幅值和绝缘层厚度对静电吸引力的影响；分析了电磁力对触觉再现系统的影响。为基于双向摩擦力控制的触觉再现系统奠定了理论基础。
　　本文设计实现了基于双向摩擦力控制的触觉再现系统方案。系统硬件部分主要由触觉再现面板模块、基于ARM Coretex-M4处理器TM4C1294的中央控制系统模块、压电陶瓷激励信号生成模块、电极阵列激励信号生成模块、电磁铁激励信号生成模块、基于线性传感器阵列TSL1410R的手指位置检测模块以及电源模块等部分组成。其中，压电陶瓷激励信号生成模块用于产生系统所需的空气压膜效应；电极阵列激励信号生成模块用于产生电致振动效应；电磁铁激励信号生成模块用于产生电磁力控制信号。本文给出了基于TM4C1294处理器的系统硬件设计实现和系统软件设计工作。
　　为了验证本文设计的触觉再现方法，本文基于双向摩擦力控制的触觉再现系统原型，开展了一系列验证试验，包括阈值实验和认知实验。其中，阈值实验包括触觉再现面板共振频率研究实验、基于双向摩擦力控制的摩擦力系数感知阈值实验、基于双向摩擦力控制的电极阵列激励信号电压频率感知阈值实验、基于双向摩擦力控制的摩擦力系数区分阈值实验、电极阵列二维空间感知阈值实验。认知实验包括简单图形认知实验和复杂图形认知实验。实验结果表明，本文提出的基于双向摩擦力控制的触觉再现相比传统单一摩擦力控制的触觉再现方法具有更宽泛的摩擦力系数控制，既能实现摩擦力系数减小，也能实现摩擦力系数增大，在复杂图形认识实验中，相较于单一摩擦力控制的触觉再现方法，感知成功率可达80％。
　　本文基于双向摩擦力控制的触觉再现系统开展了人手指感知特性的研究对传统基于摩擦力控制的触觉再现方法进行了改进。

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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 存在问题和发展趋势

1.4 本文研究内容和章节安排

第二章 基于双向摩擦力控制的触觉再现理论分析

2.1 空气压膜效应的理论分析

2.2 电致振动效应的理论分析

2.3 电磁力控制的理论分析

2.4 本章小结

第三章 基于双向摩擦力控制的触觉再现系统的硬件设计

3.1触觉再现系统的硬件方案设计

3.2 综合触觉再现面板模块

3.3基于TM4C1294处理器的中央控制系统模块

3.4 压电陶瓷激励信号生成模块

3.5电极阵列激励信号生成模块

3.6电磁铁激励信号生成模块

3.7基于线性传感器阵列的手指位置检测模块

3.8电源模块

3.9本章小结

第四章 基于双向摩擦力控制的触觉再现系统软件设计

4.1 系统整体软件设计

4.2 压电陶瓷激励信号生成模块软件设计

4.3 电极阵列激励信号生成模块软件设计

4.4 电磁铁激励信号生成模块软件设计

4.5 手指位置检测模块软件设计

4.6 本章小结

第五章 触觉再现实验和数据分析

5.1 仿真实验设计和系统环境

5.2 触觉再现面板共振频率研究实验

5.3基于双向摩擦力控制的摩擦力系数感知阈值实验

5.4 基于双向摩擦力控制的电极阵列激励信号电压频率感知阈值实验

5.5 基于双向摩擦力控制的摩擦力系数区分阈值实验

5.6 电极阵列二维空间感知阈值实验

5.7 基于双向摩擦力控制的摩擦力系数感知等级实验

5.8 简单图形认知实验

5.9 复杂图形认知实验

5.10 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

附录 1：基于有限元的空气压膜效应（面板振动幅度）建模和分析程序（ANSYS 10.0 环境下APDL语言）

附录 2：基于有限元的电致振动效应（手指—电极板）建模和分析程序（ANSYS 10.0 环境下APDL语言）

附录3：基于双向摩擦力控制的触觉再现系统原理图

附录4：基于双向摩擦力控制的触觉再现系统PCB图

附录5：基于TSL1410R的手指位置检测程序

附录6：数模转换模块AD5684控制程序

附录7：开关阵列HV507控制程序