基于摩擦力控制的触觉再现建模理论和方法研究

Among all senses, haptic system provides an unique and bidirectional communication channel between humans and their physical environment, while visual system or audio system can only provides unidirectional communication channel. For blind or visually impaired people, they may rely more on the sense of touch. Aiming to provide an ideal tactile rendering system for visually impaired people,this project examines the fundamental princle of friction control, and presents a novel friction-based tactile rendering method through combining the squeeze film effect and electrovibration effect, which leads to a tactile rendering interface with larger friction control range and control flexibility. Several research work will be conducted with the focus on friction-based tactile rendering method and tactile device design with relatively large contact area through both principles. Then the characteristic of human tactile sensation will be investigated through experiments, as well as the influence of firction control principles and stimulating signal modes on the tactile sensation. Finally, based on the human tactile sensation characteristic and tactile rendering device,the rendering theory and method for letter, graph and virtual objects will be studied.The resulting friction-based tactile rendering device and tactile rendering theory will not only improve the quality of human-computer interation, but also provides an ideal interacting system for millions visually impaired people.

力触觉系统是人类与自然环境交互过程中独特的双向信息交换通道，它能够提供视觉或听觉等其它通道无法替代的信息。对于盲人或视力受损者而言，力触觉系统更是他们最主要的信息交互通道。本研究从摩擦力控制的激励机制出发，创新性地将空气压膜效应和电致振动效应相结合，构建摩擦力控制范围更广、控制更灵活的触觉再现人机接口，旨在为包括视力受损者在内的使用者提供更理想的触觉交互系统。该项目主要研究：（1）空气压膜效应和电致振动效应共同存在的、基于摩擦力控制的、较大交互面积的触觉再现方法和触觉再现设备；（2）人的触觉感知的特性、不同摩擦力控制模式和激励信号对触觉感知特性的影响；（3）基于人的触觉感知特性和触觉再现设备，文字、二维图像和三维虚拟物体等对象的触觉再现建模方法。本项目研究的基于摩擦力控制的触觉再现设备和触觉再现建模方法，不仅能有效提高人机交互质量，而且能为数百万的视力受损者提供更为理想的信息交互系统。

力触觉系统是人类与客观世界交互过程中的重要信息获取通道，它能够实现视觉或听觉等其他通道无法替代的双向信息交互和双向能量交互。相应地，力触觉再现作为一种新兴的人机交互技术，正受到越来越多的关注，成为人机交互中的研究热点。本项目面向触觉再现人机交互应用，从触觉再现实现方法、操作者手指触觉感知特性、触觉再现建模应用等方面开展了基于摩擦力控制触觉再现方法和建模理论研究。从摩擦力控制的原理发出，提出将空气压膜效应能减小调节交互摩擦力、电致振动效应能增大调节交互摩擦力相结合，实现了摩擦力调节范围更宽广的触觉再现方法。使用玻璃触觉面板、压电陶瓷、激励信号等模块，研究了基于空气压膜效应的触觉再现方法，设计实现了基于空气压膜效应的触觉再现系统原型；使用PCB电极阵列触觉面板、激励信号等模块，研究了基于电致振动效应的触觉再现方法，设计并实现了基于电致振动效应的触觉再现原型系统；使用带有ITO导电层的玻璃触觉面板、压电陶瓷、ITO导电层制作的电极层、激励信号等，研究了空气压膜效应和电致振动效应两种原理相融合的触觉再现方法，设计并实现了基于双向摩擦力控制的触觉再现原型系统。使用所研制的基于摩擦力控制的触觉再现原型系统，开展了操作者手指触觉感知特性的研究，包括基于空气压膜的触觉再现方法中的触觉面板振动特性、摩擦力感知阈值、摩擦力区分感知等实验，基于电致振动效应的触觉再现方法中的摩擦力感知阈值、摩擦力区分阈值、激励电压频率感知范围、激励电压频率区分阈值等实验，以及空气压膜效应和电致振动效应相融合的触觉再现方法中触觉面板共振频率、基于双向摩擦力控制的摩擦力感知阈值、摩擦力系数区分阈值、摩擦力系数感知等级等实验。最后，基于所研制的触觉再现原型系统和操作者手指触觉感知特性参数，设计了简单图形和汉字的触觉再现模型，并开展了对比识别实验研究。研究结果表明，空气压膜效应和电致振动效应效应相结合的触觉再现方法，能够获得更为宽广的摩擦力控制范围，实现更多的摩擦力系数感知等级，从而有效提高简单图形和汉字的识别成功率。本项目的研究，为基于摩擦力控制的触觉再现技术发展提供了新的思路、实验数据和理论依据，为触觉再现技术这一信息交互模式在人类社会中的进一步广泛应用奠定了重要基础。