觸力覺人機(jī)交互導(dǎo)論

目 錄
第 1章 觸力覺人機(jī)交互概述 1
1．1 觸力覺人機(jī)交互的研究背景 1
1．1．1 人與物理環(huán)境的觸力覺交互 1
1．1．2 人與計(jì)算機(jī)的觸力覺交互 3
1．1．3 人與機(jī)器人的觸力覺交互 5
1．2 觸力覺人機(jī)交互的基本概念 6
1．3 觸力覺人機(jī)交互的研究分支和挑戰(zhàn) 8
1．4 觸力覺人機(jī)交互的發(fā)展歷史 10
1．4．1 桌面式觸力覺人機(jī)交互 11
1．4．2 觸屏式觸力覺人機(jī)交互 12
1．4．3 穿戴式觸力覺人機(jī)交互 13
1．5 觸力覺人機(jī)交互的研究意義 15
小結(jié) 16
思考題目 16
參考文獻(xiàn) 16
第 2章 人體觸力覺感知和運(yùn)動(dòng)控制的生理基礎(chǔ) 18
2．1 觸覺感知機(jī)理 19
2．1．1 皮膚內(nèi)部觸覺感受器 19
2．1．2 觸覺感受器特性和觸覺信息的傳遞 21
2．1．3 人體皮膚的觸覺感知能力 24
2．2 力覺感知機(jī)理 25
2．2．1 力覺感受器 25
2．2．2 本體感覺與平衡覺感受器 27
2．2．3 人體力與運(yùn)動(dòng)的感知能力 28
2．3 觸力覺信息的傳導(dǎo)通路 30
2．3．1 觸力覺信息的上下行神經(jīng)通路 30
2．3．2 跨通道感知的特性 32
2．4 觸力覺信息的加工處理 35
2．4．1 大腦皮層的觸覺區(qū)域 35
2．4．2 腦網(wǎng)絡(luò)與腦神經(jīng)可塑性 36
2．4．3 “觸覺錯(cuò)覺”現(xiàn)象 39
2．5 人體運(yùn)動(dòng)控制和力控制 41
2．5．1 人體運(yùn)動(dòng)控制執(zhí)行器 41
2．5．2 低級(jí)神經(jīng)中樞對(duì)軀體運(yùn)動(dòng)的支配 44
2．5．3 高級(jí)神經(jīng)中樞對(duì)軀體運(yùn)動(dòng)的支配 45
2．6 觸覺心理物理學(xué)實(shí)驗(yàn) 47
2．6．1 心理物理學(xué)的相關(guān)概念 47
2．6．2 心理物理學(xué)的測量方法 51
2．6．3 統(tǒng)計(jì)分析的基本數(shù)理工具 54
小結(jié) 56
思考題目 57
參考文獻(xiàn) 57
第3章 桌面式力覺交互設(shè)備 60
3．1 桌面式力覺交互設(shè)備的總體介紹 60
3．1．1 桌面式力覺交互設(shè)備的組成與工作原理 60
3．1．2 桌面式力覺交互設(shè)備的功能和性能指標(biāo) 61
3．1．3 桌面式力覺交互設(shè)備的設(shè)計(jì)流程 62
3．2 力覺交互設(shè)備的分類 63
3．2．1 串聯(lián)形式的力覺交互設(shè)備 63
3．2．2 并聯(lián)形式的力覺交互設(shè)備 65
3．2．1 串并混聯(lián)結(jié)構(gòu)形式的力覺交互設(shè)備 67
3．3 桌面式力覺交互設(shè)備的機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì) 69
3．3．1 構(gòu)型設(shè)計(jì) 69
3．3．2 運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 70
3．3．3 靜力學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析 72
3．3．4 傳感器選型 73
3．3．5 驅(qū)動(dòng)器選型 75
3．3．6 傳動(dòng)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 76
3．4 桌面式力覺交互設(shè)備的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 77
3．4．1 一個(gè)引例：一維轉(zhuǎn)動(dòng)力反饋游戲操作手柄 77
3．4．2 阻抗控制的原理和流程 78
3．4．3 導(dǎo)納控制的原理和流程 79
3．4．4 控制系統(tǒng)硬件 80
3．4．5 力覺交互設(shè)備穩(wěn)定性 82
3．5 桌面式力覺交互設(shè)備實(shí)例 85
3．5．1 單自由度桌面式力覺交互設(shè)備 85
3．5．2 三自由度桌面式力覺交互設(shè)備iFeel 3．0 87
3．5．3 六自由度桌面式力覺交互設(shè)備 90
3．5．4 六自由度大空間力覺交互設(shè)備iFeel BH1500 94
小結(jié) 95
思考題目 96
參考文獻(xiàn) 96
第4章 力覺合成方法 100
4．1 力覺合成簡介 100
4．1．1 力覺合成的基本概念 100
4．1．2 力覺合成的性能指標(biāo) 101
4．1．3 力覺合成的發(fā)展簡史 102
4．2 力覺合成的計(jì)算框架 103
4．2．1 阻抗式力覺交互設(shè)備的有限阻抗約束特性 103
4．2．2 力覺合成的計(jì)算框架 105
4．3 虛擬環(huán)境建模 108
4．3．1 力覺交互場景建模的特點(diǎn) 109
4．3．2 網(wǎng)格模型 110
4．3．3 體素模型 111
4．3．4 球樹模型 112
4．3．5 其他模型 114
4．4 實(shí)時(shí)碰撞檢測方法 114
4．4．1 力覺合成中碰撞檢測的特殊性 114
4．4．2 碰撞檢測算法分類 115
4．4．3 基于多分辨率模型的碰撞檢測算法 116
4．4．4 連續(xù)碰撞檢測算法 117
4．4．5 常用開發(fā)包 117
4．5 交互工具的碰撞響應(yīng) 118
4．5．1 碰撞響應(yīng)算法分類 118
4．5．2 基于懲罰的方法 119
4．5．3 基于約束的方法 120
4．5．4 基于沖擊的方法 121
4．6 交互力計(jì)算模型 121
4．6．1 彈簧力計(jì)算模型 122
4．6．2 摩擦力計(jì)算模型 123
4．6．3 細(xì)節(jié)特征計(jì)算模型 124
4．7 交互對(duì)象動(dòng)力學(xué)響應(yīng) 126
4．7．1 交互對(duì)象幾何物理耦合模型 126
4．7．2 變形體模擬仿真 129
4．7．3 拓?fù)渥兓牧τX模擬仿真 130
4．8 力覺合成研究的前沿問題 131
4．8．1 大規(guī)模場景力覺交互 131
4．8．2 生物組織復(fù)雜交互行為模擬 132
4．8．3 從力覺合成到力觸覺融合生成 132
4．8．4 開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)庫建設(shè) 134
4．8．5 新型交互應(yīng)用開發(fā) 135
4．9 力覺合成方法實(shí)例 136
4．9．1 虛擬墻力覺合成實(shí)例 136
4．9．2 虛擬球力覺合成實(shí)例 137
小結(jié) 138
思考題目 138
參考文獻(xiàn) 138
第5章 桌面式力覺交互系統(tǒng) 143
5．1 桌面式力覺交互典型應(yīng)用領(lǐng)域 143
5．1．1 醫(yī)療手術(shù)模擬 143
5．1．2 機(jī)器人主從操作 145
5．1．3 虛擬樣機(jī)產(chǎn)品設(shè)計(jì)和裝配設(shè)計(jì) 147
5．1．4 肢體康復(fù) 149
5．1．5 科學(xué)數(shù)據(jù)可視化 152
5．1．6 娛樂游戲 152
5．2 口腔手術(shù)模擬系統(tǒng) 154
5．2．1 口腔手術(shù)模擬系統(tǒng)的需求分析 154
5．2．2 口腔手術(shù)模擬系統(tǒng)的組成 155
5．2．3 口腔手術(shù)模擬系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 156
5．3 飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)虛擬裝配系統(tǒng) 159
5．3．1 飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)虛擬裝配系統(tǒng)的需求分析 159
5．3．2 飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)虛擬裝配系統(tǒng)的組成 160
5．3．4 飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)虛擬裝配系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 162
小結(jié) 166
思考題目 166
參考文獻(xiàn) 167
第6章 振動(dòng)觸覺交互 169
6．1 振動(dòng)觸覺感知機(jī)制 169
6．1．1 人體振動(dòng)觸覺感知的生理機(jī)理 169
6．1．2 振動(dòng)觸覺感知閾限 171
6．1．3 觸覺幻覺效應(yīng) 175
6．2 振動(dòng)觸覺交互的硬件裝置 175
6．2．1 線性電磁類執(zhí)行器 177
6．2．2 旋轉(zhuǎn)電磁類執(zhí)行器 177
6．2．3 非電磁類執(zhí)行器 178
6．3 振動(dòng)觸覺交互設(shè)備的分類 178
6．4 振動(dòng)觸覺的應(yīng)用領(lǐng)域 179
6．4．1 物理信息傳遞 179
6．4．2 抽象信息傳遞 180
6．4．3 多媒體 181
小結(jié) 182
思考題目 183
參考文獻(xiàn) 183
第7章 紋理觸覺交互 188
7．1 紋理觸覺的定義 188
7．2 紋理觸覺的感知維度 189
7．3 紋理觸覺的仿真方法 190
7．3．1 基于機(jī)械振動(dòng)的紋理觸覺仿真方法 191
7．3．2 基于調(diào)節(jié)表面摩擦力的紋理觸覺仿真方法 192
7．3．3 基于改變表面形貌的紋理觸覺仿真方法 198
7．3．4 基于電刺激的紋理觸覺仿真方法 202
小結(jié) 204
思考題目 204
參考文獻(xiàn) 204
第8章 觸力覺人機(jī)交互前沿 210
8．1 穿戴式力覺交互 210
8．1．1 穿戴式力覺交互設(shè)備 210
8．1．2 虛擬手力覺合成方法 216
8．2 多元觸覺交互 222
8．2．1 多元觸覺感知的生理學(xué)特性 222
8．2．2 多元觸覺交互設(shè)備的定義和量化指標(biāo) 224
8．2．3 多元觸覺交互設(shè)備的分類 226
8．2．4 多元觸覺信息融合交互的研究進(jìn)展 227
8．2．5 多元觸覺交互設(shè)備的技術(shù)發(fā)展趨勢 231
小結(jié) 232
參考文獻(xiàn) 232
附錄 239
附錄A 研究課題庫 239
A．1 桌面式力覺交互設(shè)備設(shè)計(jì)課題 239
A．2 力覺合成方法開發(fā)課題 241
A．3 人體觸覺心理物理學(xué)測量課題 242
A．4 力覺交互應(yīng)用設(shè)計(jì)課題 242
附錄B 視頻素材 242