[发明专利]一种基于真实测量下多因素的力触觉再现系统的设计方法

说明书

本发明公开了一种基于真实测量下多因素的力触觉再现系统的设计方法，重点解决了原有力触觉再现系统在物体表面摩擦、硬度、纹理多因素影响下再现效果不佳的问题。该方法为：对与真实物体表面进行交互过程中产生的多路信号进行采集；将采集到的力、加速度和位移信号输入到多因素的力触觉再现模型中，计算物体表面的摩擦、硬度和纹理；在虚拟物体表面上通过PHANTOM OMNI和振动电机模拟人交互真实物体表面时的感受并反馈给操作者。本专利相对于传统的基于单一因素建立的力触觉再现模型，根据真实测量结果从多因素建立力触觉再现系统，可提升在多因素影响下物体表面力触觉再现系统的准确度和鲁棒性。

技术领域

本发明属于力触觉技术领域，具体为一种基于真实测量下多因素的力触觉再现系统的设计方法。

背景技术

力触觉再现系统主要有基于物理图像的方法、基于几何约束的方法、基于真实测量数据的方法。在基于真实测量的再现方法中，大多数方法只关注物体表面的某一个物理特性，但这种单一因素建模的方法很难客观呈现物体表面的力触觉，不能准确地模拟人接触物体时的真实感受。

发明内容

针对以上问题，提出一种基于真实测量下多因素的力触觉再现系统的设计方法，本发明针对物体表面单一因素的建模不能充分反映其表面特征，从摩擦、硬度、纹理三个客观物理属性来构建力触觉再现系统，从而更好地再现人接触物体表面时的力触觉感受。

本发明一种基于真实测量下多因素的力触觉再现系统的设计方法，具体步骤如下，

S1，对与真实物体表面进行交互中产生的多路信号进行采集；

步骤S1所述的力触觉采集系统设计方法，具体如下：

第一步，力触觉采集系统的硬件部分由PHANTOM OMNI以及其上夹持固定的加速计和力传感器和振动电机一起构成；

第二步，力反馈装置PHANTOM OMIN的探针与物体的水平表面直接垂直接触，由于物体表面的凹凸不平，可将采集到的信号进行水平和垂直方向分解，分别为水平方向加速度a_x，垂直方向加速度a_y，水平方向力F_x，垂直方向力F_y和垂直方向位移H_y；

S2，将采集到的力、加速度和位移信号输入到多因素的力触觉再现模型中，计算物体表面的摩擦、硬度和纹理；

步骤S2所述的力触觉建模系统设计方法，具体如下：

第一步，物体表面的单一因素建模不足以客观反映人接触真实物体表面时的力触觉的感受，从摩擦、硬度、纹理三个客观物理属性来构建模型；

第二步，物体表面的力触觉摩擦反映了在物体表面有相对运动或相对运动趋势时的受阻情况，根据常见的库仑运动摩擦模型F_f＝u×F，其中，摩擦力F_f在数值上为测得的水平方向力F_x，u是探针在物体表面滑动时的动摩擦系数，F是物体表面的法向力，它在数值上等于测得的垂直方向作用力F_y；

第三步，物体表面的力触觉硬度取决于表面的弹性或压缩性，基于一维力交互算法F_N＝k×H，其中，硬度的大小用力F_N表示，大小等于测得的垂直方向作用力F_y，k是物体表面的刚度系数，H是探针插入物体表面的深度，它在数值上等于测量的位移；

第四步，物体表面的力触觉纹理取决于物体表面微观颗粒凹凸不平的分布特性，它一般用振动刺激的大小来表达，而振动的大小使用音圈电机的输出电压进行表示，根据V＝c×a_y进行计算，其中，机电常数c是常数，它将垂直方向加速度转化为电机振动；

第五步，结合步骤2实际采集的数据，力反馈建模系统的力输出为其中a、b为力F根据摩擦和硬度矢量合成的系数，输出的振动为音圈电机的电压V。