[發明專利]基于觸覺感知仿生特性的硬度觸覺再現方法

在審

• 申請號: 202010747239.0
• 申請日: 2020-07-29
• 公開（公告）號: CN111897427A
• 公開（公告）日: 2020-11-06
• 發明（設計）人: 吳涓;何聰;張軍;邵知宇;陳航
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: G06F3/01
• 分類號: G06F3/01;G06F3/041
• 代理公司: 南京眾聯專利代理有限公司 32206
• 代理人: 杜靜靜

1.一種基于觸覺感知仿生特性的硬度觸覺再現方法，其特征在于：該方法包括以下步驟：

步驟1：交互數據的采集：遠端力觸覺傳感器測量裝置在主端操作者控制下按壓物體，在按壓過程中，通過力觸覺傳感器采集力觸覺交互數據，包括力、位移、加速度，并計算提取出硬度感知過程中的力觸覺刺激特征參數；

步驟2：主觀感知強度的獲取：將步驟1中提取的特征參數代入已知的客觀刺激特征參數-主觀硬度感知強度的感知模型，得到當前被感知真實物體的主觀硬度感知強度；

步驟3：再現裝置控制參數的確定：將步驟2中得到的主觀硬度感知強度代入到力觸覺控制模型中，計算力觸覺再現裝置的控制參數，包括力反饋控制參數和振動反饋控制參數；

步驟4：硬度再現：根據步驟3中得到的控制參數，再現裝置中的力反饋和振動反饋執行器產生融合的力/振動觸覺刺激作用給主端操作者，從而實現對遠端真實物體的硬度再現。

2.根據權利要求1所述的一種基于人感知仿生特性的硬度觸覺再現方法，其特征在于：步驟2中硬度觸覺感知模型是指已建立的交互特征參數與主觀感知硬度強度的多輸入/單輸出的回歸模型,該模型描述了客觀交互數據中與力、振動相關的特征和主觀硬度感知強度之間的量化關系，模型表達為下式：

H＝k₁·log GS-k₂·log PFP

其中，GS為全局剛度(N/mm)，指完整按壓過程中力與位移比值的平均值，即引起單位位移所需的力，表現了物體整體硬度的特征，PFP為峰值力/位移(N/mm)，是指在一段時間內的按壓力的峰值與該峰值點對應的位移的比值，即按壓過程的不同階段對應的局部剛度，反映了力、位移隨時間變化的瞬態特征；GS、PFP通過交互過程中傳感器測量到的力、位移等數據計算得到，H表示主觀硬度，k₁、k₂為偏回歸系數，表示特征參數對感知結果的影響程度，值越大說明該特征對主觀感知結果影響權重越大，偏回歸系數的符號表明，主觀感知的硬度強度與全局剛度GS的對數正相關，與峰值力/位移比值PFP的對數負相關。

3.根據權利要求1所述的一種基于觸覺感知仿生特性的硬度觸覺再現方法，其特征在于：步驟3中硬度再現控制模型最終將主觀感知硬度通過力和振動反饋裝置實現，控制形式包括但不局限于控制機械力大小(F)和振動頻率大小(f_v)，力反饋和振動反饋在控制中所占的權重與感知模型的偏回歸系數一致，模型表達如下：

F＝k_f·k₁·GS·x_d

其中，k_f表示力反饋控制系數，k_v表示振動反饋控制系數，分別根據不同力反饋裝置和振動元件的客觀輸出特性確定，用來調整力和振動的大小使其滿足再現裝置的輸出范圍，x_d為再現裝置探針穿透虛擬物體表面的法向深度；由于振動頻率與振動強度的關系曲線趨于倒”u”型，即隨著振動頻率的增大，振動強度先增加后減小，超過一定的頻率值時(通常為250Hz)，振動頻率與振動強度成負相關的關系，為了體現度感知模型中振動反饋再現的PFP特征與硬度感知強度呈負相關的特性，f_v所代表的控制頻率輸出范圍取振動頻率與振動強度呈負相關的頻段，f_v0為初始振動頻率，通常取與振動強度呈負相關的頻段頻率最小值；PFP(x_d)是PFP隨位移變化的函數，表示按壓過程的不同階段對應的PFP的取值；P_cv為產生振動反饋的臨界PFP值，即按壓過程中實時的PFP值大于該臨界值時，產生振動反饋，小于該臨界值時，沒有振動反饋，只有力反饋，臨界的PFP值根據再現的可形變樣本的固有物理屬性統計計算得到，對于不同類型物體的硬度再現。

4.根據權利要求1所述的一種基于人感知仿生特性的硬度觸覺再現方法，其特征在于：步驟3中所述的力觸覺控制模型為步驟2硬度觸覺感知模型的“逆變換”，是指實現虛擬刺激所傳遞的全局剛度和峰值力/位移特性參數與真實感覺效果一致下的，機械力及振動刺激的控制方法。

5.根據權利要求1所述的一種基于人感知仿生特性的硬度觸覺再現方法，其特征在于：步驟4所述力觸覺再現裝置采用的是振動刺激與力刺激結合方式，將振動執行元件與力反饋裝置結合，當人手持力反饋裝置的末端在虛擬再現樣本上做按壓動作時，再現裝置提供符合人感知特點的力和振動刺激反饋。