基于主动式动态触摸感知的大纹理再现机理研究

Texture display is a research hotspot in the field of haptics. Over recent years, the tactile mechanism of texture is getting clearer, resulting in the emergence of texture rendering devices. It is worth noting that the textures in these studies have interior spaces which are mostly in the millimeter level and below. This kind of textures is called “fine texture”. In contrast, the "large texture" has space gap in centimeters and above, and it is considered as the special texture with tiny texture pattern covered on a curved surface. Compared with fine texture, large texture contains richer surface information, including both roughness and curvature. Therefore, its tactile mechanism is bound to be more complex. Research activities have paid much attention on haptic display of fine texture and curvature, but less on haptic rendering of large texture. This project aims to reveal the tactile mechanism of large texture, and to establish the haptic rendering model which is based on dynamic and active touch. This study will be realized through synthesizing of the knowledge of bio-mechanics and motion control, physiological psychology, mathematical modeling and simulation, designing of haptic device, and carrying out of psychophysical experiments. This project provides important theoretical foundation for haptic display of object’s surface information in the field of virtual reality and robotics.

物体表面纹理再现是触觉交互研究领域中的热点。近年来，纹理的触觉机理研究不断得到完善，涌现出大量的纹理再现装置。但值得注意的是，这些研究中涉及到的纹理的内部空间间隙大多在毫米级及以下，我们把它们称为“细纹理”。对于空间间隙在厘米级及以上的“大纹理”，可以从空间几何特性上把它们看成是细小纹理图案覆盖在曲面上的特殊纹理。与细纹理相比，大纹理包含更丰富的物体表面信息，融合了粗糙度和弧度，其触觉感知机理也必然更加复杂。国内外学者对细纹理和弧度的感知机理及其触觉再现进行了深入研究，但很少涉及到综合了两者的大纹理。本项目旨在综合运用生物力学与运动控制、触觉生理心理学、数学建模与仿真等方面的知识，通过构造人机交互接口装置和开展心理物理学实验，对大纹理的感知机理和再现方法进行研究，建立起基于主动式动态触摸感知的触觉再现数学模型，为虚拟现实和机器人领域中的物体表面信息再现提供重要理论依据。

本项目对包含了粗糙度和弧度信息的大纹理触觉感知机理和再现方法进行研究，综合运用生物力学与运动控制、触觉生理心理学、数学建模与仿真等方面的知识，通过构造人机交互接口装置和开展心理物理学实验，建立起适合常见大纹理再现的系统理论和数学模型，并通过实验验证了理论的可行性和交互装置的有效性。本项目完成的基于主动式动态触摸感知的大纹理虚拟再现装置，相比于国内外现有的被动式、静态的、或非直接接触的交互装置，其允许人们用手指（裸指）自由地动态触摸接口界面来感知大纹理的相关信息，增强了操作者的沉浸感。该研究丰富了物体表面纹理尤其是大纹理的触觉再现机理研究，同时探索了手指触摸感知方式对纹理认知的影响，为虚拟现实和机器人领域中的物体表面信息再现提供了重要理论依据。取得的具体成果如下:.1. 通过使用大纹理实物模型开展心理物理学实验，获取了大纹理的基本触觉信息，了解指尖感知的特性，为大纹理触觉建模提供了理论基础；.2. 在挤压式弧度再现模型的基础上，结合触觉心理物理学实验获取的触觉信息，建立了大纹理轮廓再现数学模型；.3. 设计并实现了大纹理轮廓触觉再现装置，包括触摸平板 、手指位移测量单元、机械传动、STM32控制系统电路和系统软件等部分；.4. 实验验证了基于主动式动态触摸感知大纹理轮廓再现方法的可行性、所建数学模型的正确性、手指位移检测的准确性、以及控制方法的有效性等；.5. 设计并实现了基于挤压气膜效应的大尺寸、高透明的细纹理触觉再现平板，其有效触摸面积为194mm*100mm。其优势是有效触摸面积大大增加，装置更加轻薄，可与市面上常见的电子产品集成，实用性强。该平板与大纹理轮廓触觉再现装置结合可有效实现包含了粗糙度和弧度信息的大纹理触觉再现。