【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于人机交互、混合现实领域，尤其涉及用于混合现实三自由度指尖力触觉反馈装置、系统及方法。
技术介绍
1、本部分的陈述仅仅是提供了与本专利技术相关的
技术介绍
信息，不必然构成在先技术。
2、在虚拟现实技术迅速发展的背景下，人机交互体验的提升成为一个重要的研究方向。传统的虚拟现实技术主要集中在视觉和听觉方面，然而在认知环境和与环境互动的过程中，触觉感知是一种重要接触信息感知途径。研究表明，力触觉在认识客观世界中具有关键地位，它不仅提供了关于物体形状、质地和力度的信息，还能够在人与环境互动中传递细致的体感反馈。最近的研究趋势表明，力触觉反馈技术在军事仿真、医疗、娱乐、教育等多个领域都具有广泛的应用前景。
3、在现有混合现实技术中，尽管视觉和听觉的模拟已取得长足进展，但触觉反馈仍存在技术瓶颈，主要体现在：传统的力触觉反馈装置通常只能提供有限的振动反馈，无法准确地模拟物体的质地和力度变化。同时，传统的力触觉反馈装置的自由度也存在一定的限制，通常为桌面固定式末端执行器交互。这种约束手部的单点接触获得力触觉的方式，难以满足用户在虚拟环境中多样化的操作需求。
技术实现思路
1、为了解决上述
技术介绍
中存在的至少一项技术问题，本专利技术提供用于混合现实三自由度指尖力触觉反馈装置、系统及方法，其通过在虚拟环境中引入三自由度的力触觉反馈，不仅使得传统的人机交互系统演变为闭环系统，还可以产生单点多方向的力触觉感受，从而实现更高水平的沉浸式体验和真实感，以进一步推动虚实结合的人
2、为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
3、本专利技术的第一个方面提供用于混合现实三自由度指尖力触觉反馈装置，包括连杆结构、水平导向结构、驱动机构和手指承载座；
4、所述连杆结构包括驱动杆、从动杆和长连杆；所述驱动机构包括多个伺服电机和对应的加固件，所述驱动杆一端连接至第一伺服电机，另一端连接至从动杆的一端，所述从动杆的另一端连接至第二伺服电机，所述驱动杆和从动杆的连接处设置力触觉反馈触点，为手指第一关节指腹提供力触觉反馈；
5、所述第一伺服电机和第二伺服电机分别通过各自的加固件与长连杆的两侧相连且均平行于手指安装，分别位于手指的对称两侧；通过第一伺服电机和第二伺服电机的转动，带动力触觉反馈触点进行上下和左右两个方向自由度的移动；
6、所述水平导向机构包括滑块、滑轨和连接件，所述滑块固定至长连杆上，贯穿滑块和滑轨设置螺柱，通过连接件将螺柱和第三伺服电机连接，通过第三伺服电机的转动带动螺柱正反转，带动滑块在滑轨上的前后移动实现力触觉反馈触点第三个方向自由度的移动。
7、作为一种实施方式，所述手指承载座包括指尖支撑件和魔术贴接口，贴近手指背面一侧设置有弧度的硬质板面，所述指尖支撑件两侧设置魔术贴接口，通过魔术贴接口与手指第二关节指腹接触并固定。
8、作为一种实施方式，所述水平导向机构还包括滑块支撑导轨，所述滑块支撑导轨水平导向结构中的滑块内设置圆孔螺纹，所述圆孔螺纹与螺柱螺纹相适配。
9、本专利技术的第二个方面提供用于混合现实的三自由度指尖力触觉反馈系统，包括指尖力触觉反馈装置、位置追踪器、通讯模块、控制模块及虚拟现实系统；
10、所述位置追踪器用于获取手部的位置信息；
11、所述虚拟现实系统用于接收手部的位置信息，根据虚拟手指与虚拟环境中物体之间的位置信息及发生的接触进行检测得到接触距离；
12、所述通讯模块用于接收手部的位置信息和接触距离，计算得到虚拟手部与虚拟环境之间的理想相互作用力；
13、所述控制模块用于根据虚拟手部与虚拟环境之间的理想相互作用力和给定的转动角速度信号，通过自适应分数阶pid优化控制方法控制调整三个自由度对应的伺服电机的旋转角度，以通过指尖力触觉反馈触点反馈最佳交互力。
14、作为一种实施方式，所述系统还包括服务器和摄像设备，所述位置追踪器和服务器连接，所述服务器和摄像设备连接，所述服务器用于将通过摄像设备存储的数据发送至位置追踪器，所述位置追踪器用于将追踪的手部的位置信息发送至虚拟现实系统。
15、作为一种实施方式，所述虚拟现实系统用于通过碰撞检测算法，通过不断的检测虚拟手指尖是否抓握虚拟现实中物体并与之发生碰撞的过程，来判断力触觉反馈装置交互设备是否应该产生相应的力触觉反馈，将碰撞信号传递至通讯模块。
16、本专利技术的第三个方面提供用于混合现实的三自由度指尖力触觉反馈方法，包括如下步骤：
17、获取手部的位置信息；
18、接收手部的位置信息，根据虚拟手指与虚拟环境中物体之间的位置信息及发生的接触进行检测得到接触距离；
19、接收手部的位置信息和接触距离，计算得到虚拟手部与虚拟环境之间的理想相互作用力；
20、根据虚拟手部与虚拟环境之间的理想相互作用力和给定的转动角速度信号，通过自适应分数阶pid优化控制方法控制调整三个自由度对应的伺服电机的旋转角度，通过指尖力触觉反馈触点反馈最佳交互力。
21、作为一种实施方式，所述通过自适应分数阶pid优化控制方法控制调整三个自由度对应的伺服电机的旋转角度，具体包括：
22、在pid算法上使用人工蜂群算法优化pid控制，将伺服电机角速度跟踪误差绝对值积分指标作为采用人工蜂群算法优化pid控制后的目标函数；
23、基于该目标函数，设定初始分数阶pid控制参数；
24、确定目标函数和蜂群数量，并设置最大的迭代次数，随机产生一个初始蜂群并计算和比较每个解的适应度值，筛选最优解；
25、基于输出的最优解确定对应的最优pid控制参数；
26、根据最优pid控制参数调整三个自由度对应的伺服电机的旋转角度。
27、作为一种实施方式，所述目标函数为：
28、
29、式中，e为角速度误差，u为控制系统的输出，t为上升时间；k1、k2、k3
30、为调整权值。
31、作为一种实施方式，所述比较每个解的适应度值，筛选最优解的过程包括：
32、在雇佣蜂阶段，雇佣蜂会对每一个蜜源附近进行一次开采并获得一个新蜜源，通过对比新蜜源和旧蜜源而保留一个更好的蜜源；
33、在完成雇佣蜂阶段后对所有解k邻域地搜索后进入旁观蜂阶段，得到全局最优解和局部最优解；
34、当选择的蜜源开采次数达到上限时，进入侦查蜂阶段，随机更新策略去探索新的蜜源，直至达到迭代次数，输出最优解。
35、与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：
36、1)本专利技术提出用于混合现实的三自由度指尖力触觉反馈装置，结构简单紧凑，对手指的运动约束小，采用三个小型伺服电机通过连杆结构和水平导向结构可以为手指第一关节指腹提供三个自由度的力触觉，即两个方向摩擦力和一个方向法向压力，进一步提高手指尖力触觉反馈的准确性，提高虚拟现实环境交互中完本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.用于混合现实三自由度指尖力触觉反馈装置，其特征在于，包括连杆结构、水平导向结构、驱动机构和手指承载座；
2.如权利要求1所述的用于混合现实三自由度指尖力触觉反馈装置，其特征在于，所述手指承载座包括指尖支撑件和魔术贴接口，贴近手指背面一侧设置有弧度的硬质板面，所述指尖支撑件两侧设置魔术贴接口，通过魔术贴接口与手指第二关节指腹接触并固定。
3.如权利要求1所述的用于混合现实三自由度指尖力触觉反馈装置，其特征在于，所述水平导向机构还包括滑块支撑导轨，所述滑块支撑导轨水平导向结构中的滑块内设置圆孔螺纹，所述圆孔螺纹与螺柱螺纹相适配。
4.用于混合现实的三自由度指尖力触觉反馈系统，其特征在于，包括指尖力触觉反馈装置、位置追踪器、通讯模块、控制模块及虚拟现实系统；
5.如权利要求4所述的用于混合现实的三自由度指尖力触觉反馈系统，其特征在于，所述系统还包括服务器和摄像设备，所述位置追踪器和服务器连接，所述服务器和摄像设备连接，所述服务器用于将通过摄像设备存储的数据发送至位置追踪器，所述位置追踪器用于将追踪的手部的位置信息发送至虚拟现实系统。<...
【技术特征摘要】
1.用于混合现实三自由度指尖力触觉反馈装置，其特征在于，包括连杆结构、水平导向结构、驱动机构和手指承载座；
2.如权利要求1所述的用于混合现实三自由度指尖力触觉反馈装置，其特征在于，所述手指承载座包括指尖支撑件和魔术贴接口，贴近手指背面一侧设置有弧度的硬质板面，所述指尖支撑件两侧设置魔术贴接口，通过魔术贴接口与手指第二关节指腹接触并固定。
3.如权利要求1所述的用于混合现实三自由度指尖力触觉反馈装置，其特征在于，所述水平导向机构还包括滑块支撑导轨，所述滑块支撑导轨水平导向结构中的滑块内设置圆孔螺纹，所述圆孔螺纹与螺柱螺纹相适配。
4.用于混合现实的三自由度指尖力触觉反馈系统，其特征在于，包括指尖力触觉反馈装置、位置追踪器、通讯模块、控制模块及虚拟现实系统；
5.如权利要求4所述的用于混合现实的三自由度指尖力触觉反馈系统，其特征在于，所述系统还包括服务器和摄像设备，所述位置追踪器和服务器连接，所述服务器和摄像设备连接，所述服务器用于将通...
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