觸力覺人機交互導論

目 錄
第 1章 觸力覺人機交互概述 1
1．1 觸力覺人機交互的研究背景 1
1．1．1 人與物理環(huán)境的觸力覺交互 1
1．1．2 人與計算機的觸力覺交互 3
1．1．3 人與機器人的觸力覺交互 5
1．2 觸力覺人機交互的基本概念 6
1．3 觸力覺人機交互的研究分支和挑戰(zhàn) 8
1．4 觸力覺人機交互的發(fā)展歷史 10
1．4．1 桌面式觸力覺人機交互 11
1．4．2 觸屏式觸力覺人機交互 12
1．4．3 穿戴式觸力覺人機交互 13
1．5 觸力覺人機交互的研究意義 15
小結(jié) 16
思考題目 16
參考文獻 16
第 2章 人體觸力覺感知和運動控制的生理基礎 18
2．1 觸覺感知機理 19
2．1．1 皮膚內(nèi)部觸覺感受器 19
2．1．2 觸覺感受器特性和觸覺信息的傳遞 21
2．1．3 人體皮膚的觸覺感知能力 24
2．2 力覺感知機理 25
2．2．1 力覺感受器 25
2．2．2 本體感覺與平衡覺感受器 27
2．2．3 人體力與運動的感知能力 28
2．3 觸力覺信息的傳導通路 30
2．3．1 觸力覺信息的上下行神經(jīng)通路 30
2．3．2 跨通道感知的特性 32
2．4 觸力覺信息的加工處理 35
2．4．1 大腦皮層的觸覺區(qū)域 35
2．4．2 腦網(wǎng)絡與腦神經(jīng)可塑性 36
2．4．3 “觸覺錯覺”現(xiàn)象 39
2．5 人體運動控制和力控制 41
2．5．1 人體運動控制執(zhí)行器 41
2．5．2 低級神經(jīng)中樞對軀體運動的支配 44
2．5．3 高級神經(jīng)中樞對軀體運動的支配 45
2．6 觸覺心理物理學實驗 47
2．6．1 心理物理學的相關(guān)概念 47
2．6．2 心理物理學的測量方法 51
2．6．3 統(tǒng)計分析的基本數(shù)理工具 54
小結(jié) 56
思考題目 57
參考文獻 57
第3章 桌面式力覺交互設備 60
3．1 桌面式力覺交互設備的總體介紹 60
3．1．1 桌面式力覺交互設備的組成與工作原理 60
3．1．2 桌面式力覺交互設備的功能和性能指標 61
3．1．3 桌面式力覺交互設備的設計流程 62
3．2 力覺交互設備的分類 63
3．2．1 串聯(lián)形式的力覺交互設備 63
3．2．2 并聯(lián)形式的力覺交互設備 65
3．2．1 串并混聯(lián)結(jié)構(gòu)形式的力覺交互設備 67
3．3 桌面式力覺交互設備的機械系統(tǒng)設計 69
3．3．1 構(gòu)型設計 69
3．3．2 運動學分析 70
3．3．3 靜力學和動力學分析 72
3．3．4 傳感器選型 73
3．3．5 驅(qū)動器選型 75
3．3．6 傳動和結(jié)構(gòu)設計 76
3．4 桌面式力覺交互設備的控制系統(tǒng)設計 77
3．4．1 一個引例：一維轉(zhuǎn)動力反饋游戲操作手柄 77
3．4．2 阻抗控制的原理和流程 78
3．4．3 導納控制的原理和流程 79
3．4．4 控制系統(tǒng)硬件 80
3．4．5 力覺交互設備穩(wěn)定性 82
3．5 桌面式力覺交互設備實例 85
3．5．1 單自由度桌面式力覺交互設備 85
3．5．2 三自由度桌面式力覺交互設備iFeel 3．0 87
3．5．3 六自由度桌面式力覺交互設備 90
3．5．4 六自由度大空間力覺交互設備iFeel BH1500 94
小結(jié) 95
思考題目 96
參考文獻 96
第4章 力覺合成方法 100
4．1 力覺合成簡介 100
4．1．1 力覺合成的基本概念 100
4．1．2 力覺合成的性能指標 101
4．1．3 力覺合成的發(fā)展簡史 102
4．2 力覺合成的計算框架 103
4．2．1 阻抗式力覺交互設備的有限阻抗約束特性 103
4．2．2 力覺合成的計算框架 105
4．3 虛擬環(huán)境建模 108
4．3．1 力覺交互場景建模的特點 109
4．3．2 網(wǎng)格模型 110
4．3．3 體素模型 111
4．3．4 球樹模型 112
4．3．5 其他模型 114
4．4 實時碰撞檢測方法 114
4．4．1 力覺合成中碰撞檢測的特殊性 114
4．4．2 碰撞檢測算法分類 115
4．4．3 基于多分辨率模型的碰撞檢測算法 116
4．4．4 連續(xù)碰撞檢測算法 117
4．4．5 常用開發(fā)包 117
4．5 交互工具的碰撞響應 118
4．5．1 碰撞響應算法分類 118
4．5．2 基于懲罰的方法 119
4．5．3 基于約束的方法 120
4．5．4 基于沖擊的方法 121
4．6 交互力計算模型 121
4．6．1 彈簧力計算模型 122
4．6．2 摩擦力計算模型 123
4．6．3 細節(jié)特征計算模型 124
4．7 交互對象動力學響應 126
4．7．1 交互對象幾何物理耦合模型 126
4．7．2 變形體模擬仿真 129
4．7．3 拓撲變化的力覺模擬仿真 130
4．8 力覺合成研究的前沿問題 131
4．8．1 大規(guī)模場景力覺交互 131
4．8．2 生物組織復雜交互行為模擬 132
4．8．3 從力覺合成到力觸覺融合生成 132
4．8．4 開發(fā)標準庫建設 134
4．8．5 新型交互應用開發(fā) 135
4．9 力覺合成方法實例 136
4．9．1 虛擬墻力覺合成實例 136
4．9．2 虛擬球力覺合成實例 137
小結(jié) 138
思考題目 138
參考文獻 138
第5章 桌面式力覺交互系統(tǒng) 143
5．1 桌面式力覺交互典型應用領域 143
5．1．1 醫(yī)療手術(shù)模擬 143
5．1．2 機器人主從操作 145
5．1．3 虛擬樣機產(chǎn)品設計和裝配設計 147
5．1．4 肢體康復 149
5．1．5 科學數(shù)據(jù)可視化 152
5．1．6 娛樂游戲 152
5．2 口腔手術(shù)模擬系統(tǒng) 154
5．2．1 口腔手術(shù)模擬系統(tǒng)的需求分析 154
5．2．2 口腔手術(shù)模擬系統(tǒng)的組成 155
5．2．3 口腔手術(shù)模擬系統(tǒng)的設計與實現(xiàn) 156
5．3 飛機發(fā)動機虛擬裝配系統(tǒng) 159
5．3．1 飛機發(fā)動機虛擬裝配系統(tǒng)的需求分析 159
5．3．2 飛機發(fā)動機虛擬裝配系統(tǒng)的組成 160
5．3．4 飛機發(fā)動機虛擬裝配系統(tǒng)的設計與實現(xiàn) 162
小結(jié) 166
思考題目 166
參考文獻 167
第6章 振動觸覺交互 169
6．1 振動觸覺感知機制 169
6．1．1 人體振動觸覺感知的生理機理 169
6．1．2 振動觸覺感知閾限 171
6．1．3 觸覺幻覺效應 175
6．2 振動觸覺交互的硬件裝置 175
6．2．1 線性電磁類執(zhí)行器 177
6．2．2 旋轉(zhuǎn)電磁類執(zhí)行器 177
6．2．3 非電磁類執(zhí)行器 178
6．3 振動觸覺交互設備的分類 178
6．4 振動觸覺的應用領域 179
6．4．1 物理信息傳遞 179
6．4．2 抽象信息傳遞 180
6．4．3 多媒體 181
小結(jié) 182
思考題目 183
參考文獻 183
第7章 紋理觸覺交互 188
7．1 紋理觸覺的定義 188
7．2 紋理觸覺的感知維度 189
7．3 紋理觸覺的仿真方法 190
7．3．1 基于機械振動的紋理觸覺仿真方法 191
7．3．2 基于調(diào)節(jié)表面摩擦力的紋理觸覺仿真方法 192
7．3．3 基于改變表面形貌的紋理觸覺仿真方法 198
7．3．4 基于電刺激的紋理觸覺仿真方法 202
小結(jié) 204
思考題目 204
參考文獻 204
第8章 觸力覺人機交互前沿 210
8．1 穿戴式力覺交互 210
8．1．1 穿戴式力覺交互設備 210
8．1．2 虛擬手力覺合成方法 216
8．2 多元觸覺交互 222
8．2．1 多元觸覺感知的生理學特性 222
8．2．2 多元觸覺交互設備的定義和量化指標 224
8．2．3 多元觸覺交互設備的分類 226
8．2．4 多元觸覺信息融合交互的研究進展 227
8．2．5 多元觸覺交互設備的技術(shù)發(fā)展趨勢 231
小結(jié) 232
參考文獻 232
附錄 239
附錄A 研究課題庫 239
A．1 桌面式力覺交互設備設計課題 239
A．2 力覺合成方法開發(fā)課題 241
A．3 人體觸覺心理物理學測量課題 242
A．4 力覺交互應用設計課題 242
附錄B 視頻素材 242