融合静电力与振动的多媒体终端触觉再现技术

发布时间：2020-06-09 06:34

【摘要】：触觉交互可以实现其他感官通道无法实现的双向信息与能量交互,提高了人机交互的真实感、沉浸感,具有非常重要的研究价值。基于裸手交互的多媒体终端触觉再现技术因为更加符合人机交互的自然性而受到广泛关注,其中单一触觉再现技术受反馈力维度及大小的限制,导致其触觉反馈效果并不理想,因此,如何融合多种触觉再现技术并提高触觉再现质量是非常重要的科学问题。本文研究融合静电力与振动的多媒体终端触觉再现技术,通过同时改变手指所受的切向力及法向力,增加反馈力维度与大小,进而提高触觉再现质量,为基于平面交互的三维触觉再现技术的研究与发展提供参考。本文的主要工作内容及创新如下:(1)分析融合静电力与振动的触觉再现技术原理,从融合装置及融合算法角度论证这两种技术融合的可行性,并建立融合技术的力学模型,确定“静电力改变切向力、振动改变法向力”的技术路线,解决融合技术的理论问题,为装置研发及应用设计奠定理论基础。(2)设计融合静电力与振动的触觉再现装置硬件结构方案,并根据其工作流程详细分析融合装置各功能模块的功能需求、工作原理、设计思路及元器件选型。依据装置功能需求,设计下位机驱动程序框架、上位机交互界面及通信接口协议并编写相应的功能代码,实现对融合装置的驱动。进而开发出融合静电力与振动的触觉再现装置,解决了融合技术的硬件装置问题,为融合技术的进一步研究提供硬件支撑。(3)测试融合静电力与振动的触觉再现装置的反馈力性能、驱动信号误差及系统延时,研究融合装置驱动信号参数特性,确定驱动信号与反馈力的关系及人体的触觉驱动信号阈值,为后续应用设计提供参考数据。提出基于图形图像的渲染算法,从手指受力的角度对所渲染虚拟物体进行还原,实验证明融合装置及融合算法提升了触觉渲染效果。研究触觉反馈对放大交互手势的影响,得出触觉反馈可提高放大操作效率及精度的结论,且基于触觉反馈的放大操作符合Fitts'Law定律。通过对融合装置的性能测试及应用研究,验证了融合装置的有效性,为该融合技术在多媒体终端上的应用提供指导。本文从基础理论、硬件装置、软件驱动、算法及应用等方面对融合静电力与振动的触觉再现技术进行研究,为基于平面交互的三维触觉再现方式提供一定的指导作用。
【图文】：

装置图,触觉再现,电刺激

（a）纽约大学超声触觉装置（b）布里斯托大学超声触觉装置图 1.1 超声触觉再现装置意大利马尔凯理工大学 Peruzzini 等人[11]利用电极阵列开发出基于直接电刺激的触觉再现装置，交互界面由 32×8 的电极阵列组成，如图 1.2 所示。通过改变驱动信号参数来呈现不同的粗糙度及纹理信息，但由于电信号直接作用于皮肤上，容易引起刺痛感。日本名古屋大学 Kim 等人[12]开发出一种动态成型的插针式触觉再现装置，如图 1.3 所示。该装置包含 48*32 个插针，，可呈现图片和文字等信息的触觉反馈，但装置分辨率不高，且结构非常复杂。

装置图,触觉再现,插针

（a）纽约大学超声触觉装置（b）布里斯托大学超声触觉装置图 1.1 超声触觉再现装置意大利马尔凯理工大学 Peruzzini 等人[11]利用电极阵列开发出基于直接电刺激的触觉再现装置，交互界面由 32×8 的电极阵列组成，如图 1.2 所示。通过改变驱动信号参数来呈现不同的粗糙度及纹理信息，但由于电信号直接作用于皮肤上，容易引起刺痛感。日本名古屋大学 Kim 等人[12]开发出一种动态成型的插针式触觉再现装置，如图 1.3 所示。该装置包含 48*32 个插针，可呈现图片和文字等信息的触觉反馈，但装置分辨率不高，且结构非常复杂。
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TP11;R318

【参考文献】