[發明專利]一種基于真實測量下多因素的力觸覺再現系統的設計方法

在審

• 申請號: 202111573034.6
• 申請日: 2021-12-21
• 公開（公告）號: CN114327053A
• 公開（公告）日: 2022-04-12
• 發明（設計）人: 王慶;高逸;楊高朝
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: G06F3/01
• 分類號: G06F3/01;G01D21/02;H02K41/035
• 代理公司: 南京眾聯專利代理有限公司 32206
• 代理人: 蔣昱

1.一種基于真實測量下多因素的力觸覺再現系統的設計方法，具體步驟如下，其特征在于，

S1，對與真實物體表面進行交互中產生的多路信號進行采集；

步驟S1所述的力觸覺采集系統設計方法，具體如下：

第一步，力觸覺采集系統的硬件部分由PHANTOM OMNI以及其上夾持固定的加速計和力傳感器和振動電機一起構成；

第二步，力反饋裝置PHANTOM OMIN的探針與物體的水平表面直接垂直接觸，由于物體表面的凹凸不平，可將采集到的信號進行水平和垂直方向分解，分別為水平方向加速度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，將采集到的力、加速度和位移信號輸入到多因素的力觸覺再現模型中，計算物體表面的摩擦、硬度和紋理；

步驟S2所述的力觸覺建模系統設計方法，具體如下：

第一步，物體表面的單一因素建模不足以客觀反映人接觸真實物體表面時的力觸覺的感受，從摩擦、硬度、紋理三個客觀物理屬性來構建模型；

第二步，物體表面的力觸覺摩擦反映了在物體表面有相對運動或相對運動趨勢時的受阻情況，根據常見的庫侖運動摩擦模型F_f＝u×F，其中，摩擦力F_f在數值上為測得的水平方向力F_x，u是探針在物體表面滑動時的動摩擦系數，F是物體表面的法向力，它在數值上等于測得的垂直方向作用力F_y；

第三步，物體表面的力觸覺硬度取決于表面的彈性或壓縮性，基于一維力交互算法F_N＝k×H，其中，硬度的大小用力F_N表示，大小等于測得的垂直方向作用力F_y，k是物體表面的剛度系數，H是探針插入物體表面的深度，它在數值上等于測量的位移；

第四步，物體表面的力觸覺紋理取決于物體表面微觀顆粒凹凸不平的分布特性，它一般用振動刺激的大小來表達，而振動的大小使用音圈電機的輸出電壓進行表示，根據V＝c×a_y進行計算，其中，機電常數c是常數，它將垂直方向加速度轉化為電機振動；

第五步，結合步驟2實際采集的數據，力反饋建模系統的力輸出為其中a、b為力F根據摩擦和硬度矢量合成的系數，輸出的振動為音圈電機的電壓V。

S3，在虛擬物體表面上通過PHANTOM OMNI和電機模擬人交互真實物體表面時的感受，并反饋給操作者。

步驟S3所述的力觸覺再現系統設計方法，具體如下：

第一步，力反饋裝置PHANTOM OMIN由人控制它的末端進行移動，虛擬探針在虛擬物體表面滑動，通過3中建立的力觸覺模型計算出水平和垂直方向作用力，并矢量合成輸出力F,實時反饋給操作者。

第二步，振動反饋使用音圈電機，它可以用音圈電機兩端電壓V的大小來模仿振動的強弱，并實時反饋給操作者。

第三步，虛擬表面的輸出力F和輸出電壓V來模擬人接觸真實物體表面時的感受。