基于双向摩擦力控制的触觉再现系统

发布时间：2017-10-07 06:40

  本文关键词：基于双向摩擦力控制的触觉再现系统

  更多相关文章： 空气压膜效应 电致振动效应 电磁力控制 双向摩擦力控制 触觉再现

【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。
【关键词】：空气压膜效应 电致振动效应 电磁力控制 双向摩擦力控制 触觉再现
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TH789
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-13
• 第一章 绪论13-22
• 1.1 研究背景和意义13
• 1.2 国内外研究现状13-20
• 1.2.1 触觉与其他感官方法的比较13-14
• 1.2.2 人的触觉感知特性研究14
• 1.2.3 基于非摩擦力控制的触觉再现14-17
• 1.2.4 基于摩擦力控制的触觉再现17-19
• 1.2.5 基于多原理融合的触觉再现19-20
• 1.3 存在问题和发展趋势20-21
• 1.4 本文研究内容和章节安排21-22
• 第二章 基于双向摩擦力控制的触觉再现理论分析22-29
• 2.1 空气压膜效应的理论分析22-24
• 2.1.1 空气压膜效应形成原理22-23
• 2.1.2 不同面板厚度对触觉再现面板振动影响的仿真分析23-24
• 2.2 电致振动效应的理论分析24-27
• 2.2.1 电致振动效应模型24-25
• 2.2.2 电致振动效应中静电吸引力的影响因素25-27
• 2.3 电磁力控制的理论分析27-28
• 2.4 本章小结28-29
• 第三章 基于双向摩擦力控制的触觉再现系统的硬件设计29-45
• 3.1 触觉再现系统的硬件方案设计29-30
• 3.2 综合触觉再现面板模块30-32
• 3.3 基于TM4C1294处理器的中央控制系统模块32-34
• 3.4 压电陶瓷激励信号生成模块34-37
• 3.4.1 压电陶瓷初始激励信号生成模块34-37
• 3.4.2 压电陶瓷激励信号放大模块37
• 3.5 电极阵列激励信号生成模块37-38
• 3.5.1 电极高压模块38
• 3.5.2 电极开关阵列模块38
• 3.6 电磁铁激励信号生成模块38-39
• 3.7 基于线性传感器阵列的手指位置检测模块39-41
• 3.8 电源模块41-44
• 3.8.1 5V电源产生电路41-42
• 3.8.2 2.5V和 3.3V电源产生电路42
• 3.8.3 ±12V和±36V电源产生电路42-44
• 3.9 本章小结44-45
• 第四章 基于双向摩擦力控制的触觉再现系统软件设计45-54
• 4.1 系统整体软件设计45-46
• 4.2 压电陶瓷激励信号生成模块软件设计46-47
• 4.3 电极阵列激励信号生成模块软件设计47-48
• 4.4 电磁铁激励信号生成模块软件设计48-49
• 4.5 手指位置检测模块软件设计49-52
• 4.6 本章小结52-54
• 第五章 触觉再现实验和数据分析54-71
• 5.1 仿真实验设计和系统环境54-56
• 5.2 触觉再现面板共振频率研究实验56-57
• 5.3 基于双向摩擦力控制的摩擦力系数感知阈值实验57-59
• 5.3.1 电致振动效应下摩擦力系数感知阈值实验（摩擦力增大）57-58
• 5.3.2 空气压膜效应下摩擦力系数感知阈值实验（摩擦力减小）58-59
• 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59-61
• 5.5 基于双向摩擦力控制的摩擦力系数区分阈值实验61-63
• 5.5.1 电致振动效应中摩擦力系数区分阈值实验（摩擦力增大）61-62
• 5.5.2 空气压膜效应中摩擦力系数区分阈值实验（摩擦力减小）62-63
• 5.6 电极阵列二维空间感知阈值实验63-64
• 5.7 基于双向摩擦力控制的摩擦力系数感知等级实验64-66
• 5.7.1 电致振动效应下的摩擦力系数感知等级实验（摩擦力增大）65
• 5.7.2 空气压膜效应下的摩擦力系数感知实验（摩擦力减小）65-66
• 5.8 简单图形认知实验66-68
• 5.9 复杂图形认知实验68-69
• 5.10 本章小结69-71
• 第六章 总结与展望71-73
• 6.1 工作总结71-72
• 6.2 未来研究方向72-73
• 参考文献73-77
• 致谢77-78
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文78-79
• 附录79-96
• 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)79-83
• 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)83-85
• 附录 3:基于双向摩擦力控制的触觉再现系统原理图85-89
• 附录 4:基于双向摩擦力控制的触觉再现系统PCB图89-90
• 附录 5:基于TSL1410R的手指位置检测程序90-93
• 附录 6:数模转换模块AD5684 控制程序93-95
• 附录 7:开关阵列HV507 控制程序95-96

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前3条

1 马露;陆熊;;基于摩擦力控制的触觉再现系统研究[J];计算机技术与发展;2015年01期

2 陈思凡;陆熊;;基于电致振动效应的触觉再现系统的设计与实现[J];计算机与现代化;2014年04期

3 陈旭;宋爱国;李建清;;一种新的虚拟纹理触觉再现方法及其装置实现[J];测控技术;2006年08期

，

本文编号：987516