射流触觉的液固二相流模型及触觉适应性问题研究

触觉显示器以主动物理刺激方式把图文信息"显示"给人类触觉感官，是虚拟现实、视觉功能替代、远程医疗、空间和海洋机器人及娱乐等领域的应用急需和研究重点。现有触觉显示器主要基于振动、电刺激和气动等刺激方式，为达到较好效果，研究人员一直尝试开发基于其他物理刺激方式的新型触觉显示器。射流触觉是由申请人提出的具有完全自主知识产权的触觉显示技术，射流触觉同时提供压力、温度和频率刺激，并能够通过参数映射实现"全真"彩色触觉图文显示，具有明显优势。课题将围绕射流触觉尚未解决的时间适应性问题进行研究，研究中将在射流水柱中引入细微颗粒以造成射流压力随机改变，通过压力随机变化改善触觉时间适应性，并在此基础上建立液固二相流模型，通过模型分析、射流场和能量流研究及射流皮肤作用机理研究等优化系统控制策略，建立完整的射流触觉指标体系，希冀为射流触觉应用提供理论依据和技术规范。课题将申报发明专利2项，发表SCI、EI十篇。

触觉显示器以主动物理刺激方式把图文信息"显示"给人类触觉感官，是虚拟现实、视觉功能替代、远程医疗、空间和海洋机器人及娱乐等领域的应用急需和研究重点。现有触觉显示器主要基于机械振动、电和气动等刺激方式，为达到较好效果，研究人员一直尝试开发基于其他物理刺激方式的新型触觉显示器。射流触觉是由申请人提出的具有完全自主知识产权的触觉显示技术，射流触觉同时提供压力、温度和频率刺激，并能够通过参数映射实现“全真”彩色触觉图文显示，具有明显优势。课题围绕射流触觉的关键问题进行研究，研究工作主要从以下几个方面展开：（1）建立了手指指端的三维模型，并基于流固耦合理论建立了射流刺激与手指皮肤的接触模型，仿真分析了线阵列和面阵列作用下，手指皮肤的机械变形的空间分布情况，从而验证模型的正确性，在此基础上通过感知实验，研究了射流刺激强度与皮肤机械变形之间的关系以及机械变形与皮肤应变和应力之间的关系，从而建立了外部刺激量-皮肤变形量-心理感知量之间的映射。（2）首次提出了一种射流触觉图像文件格式，通过对视觉图像数据结构的分析研究，建立了射流触觉三要素压力P、温度T和耦合频率F与视觉三原色红色R、绿色G和蓝色B之间的全映射关系，进而构建了射流触觉文件格式.WTF与视觉文件格式.BMP的无失真转换矩阵，在此基础上开发了一种转换软件，可实现两种文件格式的可逆转换。（3）研制了两种射流触觉显示器，一种是阵列式，另一种是极坐标式。（4）研究了面向触觉交互的手势识别算法，提出了一种GP-ELM手势识别算法，该算法的优势在于，它将预处理后的手势图像的全像素序列直接作为极限学习机ELM的输入，从而进行学习和识别，无需经过复杂的特征提取和变换，最大限度地保有了手势信息，确保了算法识别的准确度，而且结合ELM的快速学习能力，确保了算法的实时性。（5）实验研究了射流刺激所诱发的脑电波特性，研究发现射流触觉所诱发的神经脑电波与触觉时间适应性之间存在强相关性，并且低频信号比高频信号所诱发的脑电信号要显著，而射流刺激强度所诱发的脑电波信号的区别则不明显。经过三年不懈的努力，课题组取得许多重要研究成果，共发表学术论文12篇，其中SCI论文2篇，EI论文8篇，参加国际会议8次，申报发明专利8项，授权2项。