[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

本發明公開了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，重點解決了原有力觸覺再現系統在物體表面摩擦、硬度、紋理多因素影響下再現效果不佳的問題。該方法為：對與真實物體表面進行交互過程中產生的多路信號進行采集；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；在虛擬物體表面上通過PHANTOM OMNI和振動電機模擬人交互真實物體表面時的感受并反饋給操作者。本專利相對于傳統的基于單一因素建立的力觸覺再現模型，根據真實測量結果從多因素建立力觸覺再現系統，可提升在多因素影響下物體表面力觸覺再現系統的準確度和魯棒性。

技術領域

本發明屬于力觸覺技術領域，具體為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。

背景技術

力觸覺再現系統主要有基于物理圖像的方法、基于幾何約束的方法、基于真實測量數據的方法。在基于真實測量的再現方法中，大多數方法只關注物體表面的某一個物理特性，但這種單一因素建模的方法很難客觀呈現物體表面的力觸覺，不能準確地模擬人接觸物體時的真實感受。

發明內容

針對以上問題，提出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，本發明針對物體表面單一因素的建模不能充分反映其表面特征，從摩擦、硬度、紋理三個客觀物理屬性來構建力觸覺再現系統，從而更好地再現人接觸物體表面時的力觸覺感受。

本發明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，

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。