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技术方案

本发明专利技术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。的准确度和鲁棒性。的准确度和鲁棒性。

【技术实现步骤摘要】
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


[0001]本专利技术属于力触觉
，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。

技术介绍

[0002]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。

技术实现思路

[0003]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，本专利技术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。
[0004]本专利技术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，
[0005]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；
[0006]步骤S1所述的力触觉采集系统设计方法，具体如下：
[0007]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；
[0008]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
；
[0009]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；
[0010]步骤S2所述的力触觉建模系统设计方法，具体如下：
[0011]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；
[0012]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
；
[0013]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；
[0014]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；
[0015]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。
[0016]S3，在虚拟物体表面上通过PHANTOM OMNI和电机模拟人交互真实物体表面时的感受，并反馈给操作者。
[0017]步骤S3所述的力触觉再现系统设计方法，具体如下：
[0018]第一步，力反馈装置PHANTOM OMIN由人控制它的末端进行移动，虚拟探针在虚拟物体表面滑动，通过3中建立的力触觉模型计算出水平和垂直方向作用力，并矢量合成输出力F,实时反馈给操作者。
[0019]第二步，振动反馈使用音圈电机，它可以用音圈电机两端电压V的大小来模仿振动的强弱，并实时反馈给操作者。
[0020]第三步，虚拟表面的输出力F和输出电压V来模拟人接触真实物体表面时的感受。
[0021]本专利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。
附图说明
[0022]图1为力触觉再现系统的整体流程图；
[0023]图2为具体实施例算法运行流程图。
具体实施方式
[0024]下面结合附图与具体实施方式对本专利技术作进一步详细描述：
[0025]本专利技术提供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，如附图1所示，它包含3个子系统，分别为力触觉采集系统、力触觉模型系统和力触觉再现系统。其中，力触觉采集系统采集探针与真实物体表面接触时的加速度、力和位移；力触觉模型系统根据摩擦、硬度和纹理来进行建模；力触觉再现系统通过OMNI和电机来模型真实人接触物体表面时的感受。具体包括以下步骤：
[0026]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；
[0027]步骤1所述的力触觉采集系统设计方法，具体如下：
[0028]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。
[0029]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
，如附图2所示。
[0030]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；
[0031]步骤2所述的力触觉建模系统设计方法，具体如下：
[0032]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，所以本专利从摩擦、硬度、纹理三个客观物理属性来构建模型。
[0033]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
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一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，其特征在于，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...

【专利技术属性】
技术研发人员：王庆，高逸，杨高朝，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：