面向智能终端的触觉再现系统和建模方法研究

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1、中图分类号：TP242.6论文编号：102870318-SX028学科分类号：080402硕士学位论文面向智能终端的触觉再现系统和建模方法研究研究生姓名孙浩浩学科、专业测试计量技术及仪器研究方向力触觉人机交互指导教师陆熊副教授南京航空航天大学研究生院自动化学院二〇一八年三月NanjingUniversityofAeronauticsandAstronauticsTheGraduateSchoolCollegeofAutomationEngineeringResearchonTactileRenderingInterfacea

2、ndModellingMethodforIntelligentTerminalsAThesisinMeasuringandTestingTechnologyandInstrumentsEngineeringbySunHaohaoAdvisedbyAssociateProfessorLuXiongSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofMasterofEngineeringMarch,2018承诺书本人声明所呈交的硕士学位论文是本人在导师指导下进行

3、的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京航空航天大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。本人授权南京航空航天大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。（保密的学位论文在解密后适用本承诺书）作者签名：日期：南京航空航天大学硕士学位论文摘要触觉再现不仅能够提供虚拟物体的纹理、粗糙度、温度等信息，还可以与视觉、听觉通道融合，提高人机交互的真实感和临场感，因此成为了人机交

4、互领域的研究热点。相比较振动触觉、电刺激触觉等其他触觉再现方法而言，基于空气压膜效应和电致振动效应融合的触觉再现方法能够达到更宽广的摩擦力控制，实现相对复杂图像的触觉再现，便于和智能终端等相结合形成丰富的触觉应用，因而具有广泛的研究意义。本文设计实现了具有较大面积、宽幅摩擦力范围的触觉再现系统，并开展了面向图像信息触觉感知的建模方法研究。本文首先从原理上分析了空气压膜效应和电致振动效应在触觉再现中控制手指摩擦力的机制。为了获得最优触觉再现性能，基于有限元方法对空气压膜效应的触觉再现设备进行了优化仿真研究。提出了基于面板振幅均

5、值和标准差的评价方法，基于该方法分析了影响面板振幅的因素，包括面板与压电陶瓷的厚度比、杨氏模量比、系统共振频率和压电陶瓷在面板上分布等对振幅的影响。在理论分析的基础上，本文设计实现了空气压膜效应和电致振动效应融合的触觉再现系统整体方案，包括了综合触觉再现面板模块、空气压膜效应激励信号生成模块、电致振动效应激励信号生成模块、手指位置检测模块、STM32F429中央控制模块以及系统电源模块等。基于硬件平台，本文设计了系统驱动软件，包括电致振动效应激励信号生成软件模块、空气压膜效应激励信号生成软件模块、LCD场景显示模块、手指位置

6、检测等模块。并基于SFS（ShapeFromShading，从阴影恢复形状）算法建立了图像深度信息与触觉感知等级之间的关系，实现了面向图像信息的触觉再现建模算法设计。为了验证本系统的有效性以及研究基于图像的触觉感知特性，开展了摩擦力系数等级区分实验、简单图形感知实验、简单纹理感知实验以及复杂纹理的图像感知实验。实验结果表明，该系统的电致振动效应的触觉再现可区分摩擦力等级有4个，空气压膜效应的触觉再现可区分摩擦力等级有3个，能够实现宽幅摩擦力控制（增大和减小两个方向）；简单图形感知成功率在95%以上，触觉感知实验效果良好；简单

7、纹理识别成功率91.25%，纹理总体信息感知准确，但纹理中的细节感知较弱，纹理形状识别成功率是72.5%；复杂纹理的图像感知成功率在60%到80%；实验数据验证了基于空气压膜效应和电致振动效应融合的触觉再现系统具有更宽广的摩擦力控制范围，能够面向智能终端实现广泛应用。本文研制的触觉再现系统能够有效再现虚拟物体信息，对促进触觉再现技术的进一步发展具有重要意义。关键词：宽幅摩擦力控制，触觉再现，设备优化，触觉再现建模，图像信息感知I面向智能终端的触觉再现系统和建模方法研究ABSTRACTTactilerenderingcanno

8、tonlyprovideinformationofvirtualobjectssuchastexture,roughnessandtemperature,butalsomergewithvisualandauditorychannelstoenhancetherealityandprese