（测试计量技术及仪器专业论文）柔性物体的触觉可视化.pdf

摘要 柔性物体的触觉可视化是近些年来虚拟现实领域研究的热点之一。它可以广泛应用 在太空探索、军事、科学研究、医学、教育与娱乐、日常生活等许多领域，具有很大的 发展前景。 柔性物体的触觉可视化系统是基于一类新型的柔性触觉再现装置的虚拟现实系统， 主控端操作者借助触觉再现装置控制虚拟物体的同时，能够实时地感受来自虚拟环境中 的接触力作用。触觉可视化系统的主要功能模块包括触觉再现装置、虚拟触觉模型和图 形显示三个部分，触觉再现装置是操作者与虚拟环境交互的通道；虚拟触觉模型是通过 几何或物理方法建立的虚拟力模型；图形显示模块是操作者与虚拟环境的图形图像接 口。论文介绍了柔性触觉再现系统的工作原理、设计方案，系统的软硬件构成；详细分 析了虚拟力触觉建模方法及其变形算法，在比较各类模型及其变形算法的优缺点的基础 上，确定了适合该系统需要的，满足实时性、精确性和逼真度等性能要求的模型和变形 算法；完成了触觉可视化系统的软件设计，并对建立的几个模型做了仿真实验研究。 关键词：触觉可视化触觉建模虚拟现实触觉再现触觉再现装置o p e n g l a bs t r a c t h a p t i cv i s u a l i z a t i o no fc o m p l i a n c eo b j e c t sa r i s i n gi nr e c e n ty e a r s ，h a sb e e nw i d e l yu s e di n m a n yf i e l d ss u c ha ss p a c ee x p l o r e ，m i l i t a r y , s c i e n c ea n dr e s e a r c h ，m e d i c a lt r e a t m e n t ， e d u c a t i o n ，e n t e r t a i n m e n ta n ds oo n h a p t i cv i s u a l i z a t i o no fc o m p l i a n c eo b j e c t si sas o r to fv i r t u a ls y s t e mb a s e do nak i n do f n e wc o m p l i a n c eh a p t i cd i s p l a yd e v i c e t h eo p e r a t o rc o n t r o l st h ev i r t u a lo b j e c t sb yh a p t i c d i s p l a yd e v i c ea n da l s og e t st h es e n s eo ft o u c h h a p t i cv i s u a l i z a t i o ns y s t e mu s u a l l yi n c l u d e s t h r e ep a r t s ：h a p t i cd e v i c e ，v i r t u a lh a p t i cm o d e l i n ga n dg r a p h i cd i s p l a y h a p t i cd e v i c e p r o v i d e st h ec o n t r o l i n s t r u c t i o na n dg e tt h eh a p t i cf e e d b a c k v i r t u a lh a p t i cm o d e l i n g e s t a b l i s h e sv i r t u a lf o r c em o d e lb yg e o m e t r i c a lo rp h y s i c a lm e t h o d g r a p h i cd i s p l a yi st h e i n t e r f a c eo fo p e r a t o ra n dv i s u a le n v i r o n m e n t p r i n c i p l eo ft h ec o m p l i a n c eh a p t i cd i s p l a y s y s t e m ，d e s i g nm e t h o d ，s o f t w a r ea n dh a r d w a r es t r u c t u r ea r ei n t r o d u c e d a n dv i r t u a lh a p t i c m o d e l i n ga n dd e f o r m a t i o na l g o r i t h mi sa n a l y z e d o nb a s i so fc o m p a r i s o n ，ap r o p e rm o d e l i n g a n dd e f o r m a t i o na l g o r i t h mw h i c hm e e t st h er e a l - t i m ep e r f o r m a n c ea n dp r e c i s i o ni sa d o p t e d s o f t w a r eo ft h eh a p t i cv i s u a l i z a t i o ns y s t e mi sd e s i g n e d e m u l a t i o nw i t hs e v e r a lm o d e l si s f u l f i l l e da n dt h er e s u l t sa r ea n a l y z e d k e y w o r d s ：h a p t i cv i s u a l i z a t i o nh a p t i cm o d e l i n g v i r t u a lr e a l i t y h a p t i cd i s p l a yh a p t i cd i s p l a yd e v i c eo p e n g l 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，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，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 墨z 酬) l 一 e l 期：兰竺曼：竺：! # 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 触觉是机器人获取环境信息的一种仅次于视觉的重要知觉形式，是机器人实现与环境直接作用 的重要媒介。与视觉不同，触觉对对象和环境的多种状态和性质特征具有较强的敏感能力。触觉不 仅可以作为视觉的一种补充，而且还可以获取对象与环境的状态信息，为完成某种作业任务而对机 器人与对象、环境相互作用时的一系列物理特征进行检测或感知。 机器人触觉与视觉一样基本上是模拟人的感觉，广义的说它包括接触觉、压觉、力觉、滑觉、 冷热觉等与接触有关的感觉，狭义的说它是机械手与对象接触面上的力感觉。机器人触觉能达到的 某些功能，虽然其它感觉如视觉也能完成，但触觉却具有其它感觉难以替代的特点。与机器人视觉 相比，许多功能为触觉独有，两者在识别功能方面形成互补性。触觉融合视觉可为机器人提供可靠 而坚同的知觉系统1 1 j 。 虚拟现实技术是近些年来兴起的一门崭新的综合性信息技术。它融合了数字i 刘像处理、计算机图形学、 人r t 智能、多媒体技术、传感器、网络以及并行处理技术发展成果，为我们创建和体验虚拟世界提供了有 力的支持，从而人人推进米计算机技术的发展。虚拟现实技术的特点在于，由计算机产生一种认为虚拟的 环境，这种虚拟的环境是通过计算机构成的三维空间，或是其他现实环境复制到计算机中去产生逼真的“虚 拟环境”，丛而使得用户在多种感官上产生一种沉浸丁虚拟环境的感觉。 触觉可视化技术是虚拟现实技术在触觉再现上的重要应用，它的实现是通过在计算机中建立真实世界 的三维场景，为计算机操作者提供模拟真实环境的感受。为了逼真地模拟物理世界，需要将虚拟世界中物 体的特性全面反映给操作者，当人与虚拟环境交互时，不但能通过眼睛观察到虚拟场景的视觉信息，还可 以通过手或相关t 具对真实环境进行操作，而且能够感受得到来自真实环境的反作用力。为了增强虚拟现 实系统的逼真度，需要将图形显示和触觉显示结合起来，才能够给操作者提供身临其境的操作感受。 以往的虚拟现实技术主要侧重于视觉仿真，通过大型的图形工作站和图像仿真软什模拟复力导现场效 果。但虚拟环境不仅要让操作者看剑，而且还要让操作者感受得到，需要能够与虚拟环境进行交互，能够 真实反映山物体各部分的形变。这样的带有触觉反馈的虚拟现实就跟以往不同，它必须将, k j 不境中获取到 的数据经过计算再反馈给环境以达剑视觉触觉协调一致的目的。 触觉可视化是通过配备了可视化界面的触觉再现装置米实现的。触觉再现装置是重要的人机接口装 置。在虚拟现实系统中，操作者通过该系统可以触摸虚拟环境中的虚拟物体，感知虚拟物体的柔性、 刚度、表面纹理等触觉特性；在遥操作机器人系统远程作业过程中，它可以将机器人末端执行器作 用对象的触觉信息反馈给操作人员，并在操作者的指端再现，从而使操作者感觉剑自己仿佛就在现 场州手指探索作州对象，并或得物体的触觉特性。随着虚拟现实技术和交互式遥操作机器人技术的 发展，需要人量的具有力触觉反馈作川的人机接口装置。冈此，设计一个能够准确、实时地再现触 觉特性的装置显得1 f 常有意义。 末南 学颤l 学位论 1 2 国内外关于柔顺性触觉可视化的研究现状 国内外已经开始了对触觉可视化研究，现有的可视化主要是一种辅助触觉再现装嚣，机械装置 都比较复杂，井没有使可视化发挥特别重大的作用n ( 1 ) u h e h 竹o fc o l o r a d o 的d a l ea l a w r e n c e 等人酲计了一套基丁协作交互的触觉可视化系 统8 l ，如图卜1 所示，该系统由五个安鞋在六边形环上的线性操作机构来推动连杆连接的铁笔末端 组成。球形的平移工作空问直径约4 0 厘米，圆锥形的旋转空问为1 弧度铁笔上的两个按钮可以 让操作者选择或切换渲染模式，力传感器位于铁笔末端为力控制环提供测量轴向连杆的力反馈。该 装置通过直接的触觉传感和数据显示操作自然地进行数据交互。 ( 2 ) s o n o g u c h i 等人提出了一种在三维电磁学中基r 齄觉反馈设备的交互可视化系统“，如翻 卜2 所示，它主要由三个部分组成：第一个部分是显示部分，显示场分布图，第二部分是p c ，计算 场分布和力第三部分是触觉交互设备，将力反馈给操作者。系统可以精确地分成两个显著的阶段， 即预处理阶段和土处理阶段。预处理阶段主要是用米定义显示区域、分解显示区域、运用德朗奈算 法住预定的位置产生四面体。在接个系统启动以后预处理阶段必须且只能执行一次，同时当物体任 何时刻在所选辑的区域范罔内移动到新的位置后，土处理程序都必须执行。主处理程序处理过程包 括在刚户定义移动物体的坐标后，计算得出场分布剀，使用插值算法重新计算磷力的人小和方向， 用户此时通过触觉交互设备很快就能感觉到磁力，田此系统的实时性较好。 留l _ i 基于协作交互的触觉可视化系统图卜2 基丁触觉反馈设备的交且可视化系统 ( 3 ) 美国加利福尼弧技术研究所j p l 虚拟环境实验宝c a g a t a y b a s d o g a n 等人通过使j j 新刑的 自动立体显示器和力反馈触觉装置开发出了一个多模式虚拟环境袈置【“。如剀卜3 所示，左边是自 动立体显示器，右边是一名操作者止住通过力反馈装置进行操作。该装置是由川丁白动立体显示器 可视化的新璎投影台乖jp h a n t o m 触觉姨簧组成，它允许州户不需要任何特殊的护目镜就可以触摸， 感觉和操纵虚拟物体。白动立体显示器显示系统由两个l c d 放映机自ik 方形镜框井盖上全息扳组 第一章持论 成，使蹦全息扳可以产生视差效果。视筹显示田为表面覆盖显示元素所以可以从不同方向发出强烈 多样化的光而且视差显示也是最常用的自动立体显示。一旦碰撞被探测到，就计算反作删力井通 过触觉设备反馈给用户。 ( 4 ) 东南大学的束爱国教授和美国婀北大学的c o l g a t e 提出了一种基丁弹性粱有效变形长度控 制的触觉感知再现装置吐如图卜4 所示。该装置由弹性粱、直流伺服电机和编码盘、丝轮、麻变 式力传感器、纵向位移传感器、定位轴承、触觉感知帽等组成。伺服电机带动丝轮进行水平运动， 因此通过控制电机的转动和速度，可以准确地控制弹性粱有教k 度的变化和变化速度。操作者将手 指放在触觉感知帽上时通过主动施加纵向接触力就可以感知虚拟物体或远程机器人作刚对象的剐 度和柔性同时在士控端显示器上通过触觉可视化技术可以实时反映弹性粱变形过程。在主控端建 立一个虚拟环境，虚拟环境中可以选择模型，还可建立虚拟手，用米仿真实际环境中的操作者的手。 当操作者将手放在触觉感知帽上时虚拟手就移动到模型的顶端，操作者按下感知帽时，弹性粱发 生变形，此时虚拟环境中的手也随着接f 模型，使2 发生相应的形变。当操作者拿开手时，虚拟手 年模犁也将恢复到初始状态。 幽卜3 多模式虚拟环境装置 1 3 柔顺性触觉可视化的应用前景 图卜4 基丁弹性粱的触觉可视化系统机械装置 虚拟现实技术一经问世，人们就对它产生了浓厚的兴趣。近些年米，虚拟现实拄术不但在科学 研究，席地产、军事、医学、太空探索、考古、艺术、交通、娱乐等请多领域得到越米越j 泛的麻 h 而且还给 会带来了巨人的经济效益。田此，有戈人十认为：2 0 _ l 【 纪8 0 年代是个人计算机的 时代，9 0 年代是网络、多媒体的时代，而2 i 世纪初则将是虚拟现实技术的时代。 触觉再现装越的应h j 范同1 f 常广泛。在机器人完成复j i 作的过程中视觉同然组重要，但在 一些视觉不能满足我们需求的情况f ，地过触觉再现可以帮助人”j 完成某些较为特殊的1 ，作。 按照触觉感知的特点，可以把触觉分为滑动触觉利柔顺性触觉两种。滑动触觉是平行r 手指接 东南人学硕一 ：学位论文 触面的感知，主要反映虚拟物体表面的几何形状、纹理、温度等；柔顺性触觉主要反映虚拟物体的 柔性或刚度，是垂直于手指接触面方向的动态感知。柔顺性触觉可视化技术就是通过触觉再现装置 实现的一种虚拟现实技术，它在很多方面有着重要的应用，具备重大的发展前景。 ( 1 ) 医学 触觉可视化可以为盲人和视觉障碍患者提供更多环境信息，可以将环境中的信息通过主控端变 成图像信息再通过触觉交互设备反馈给患者1 6 】【7 】。触觉可视化也为远程医疗提供了可能性，医生通过 触觉可视化装置可以感知虚拟环境或远程手术现场中的肌肉、器官等对象，帮助医生进行远程诊断 和手术【8 j 【9 l 。加拿大m c g i uu n i v e r s i t yd i n g r o n gy i 等人还提出了一种混合的图形触觉再现系统，该 系统允许肉眼观察脉管相连，也可以提供用户跟踪支脉管，而且还提供三维外形提示在视觉和触觉 域削除了三维感知旋转显示【l o l 。 ( 2 ) 太空探索和军事 触觉可视化可以使操作者远程控制和操作物体，为太空探索和军事应用提供了很好的技术支持。 在远程作业过程中，科学家需要知道：- i ：件本身的刚度等特性以及t 件装配过程中的配合情况，而触 觉可视化装置正是通过将远程环境中获得的触觉视觉等信息综合处理并反馈给主控端经过分析计算 再反馈到环境中以达到远程操作的目的。 ( 3 ) 教育和娱乐 触觉可视化在教学系统和娱乐游戏上可以使操作者能够有身临其境的感受，更加真实地感受来 自环境中的作用力。北京师范大学计算机系骆岩林、孙波等人提出一种使用6 自由度触觉反馈设备 的面向分子可视化教学的虚拟现实系统。该系统可以使操作者获得高度的临场感，而且可以对分子 模型进行自然直观的交互操作【l l 】。 ( 4 ) 科学研究 由丁触觉具有视觉无法替代的一些重要特性，人们需要将触觉可视化用于科学研究中，用来解 决单纯用视觉解决不了的问题。上海交通大学c i m 研究所孙鹏飞、鲍劫松、金烨等人将触觉可视化 用于三维涡流结构的表达【1 2 1 【1 3 】。涡流特征的许多属性是视觉无法表达的，而触觉则是营常理想的手 段，片j 视觉表达涡流特征的几何外形，片j 触觉来获知涡流的核线位置及其旋转强度，可在一个视图 中表达涡流特征。西安交通大学电子与信息工稃学院自动化系胡军、李嘉等人将触觉可视化用于构 造主从机器人三维数据场的思路并在微机上实际构造了仿真环境【1 4 l 。 ( 5 ) 日常生活 在今后的虚拟购物或远程购物中，通过触觉可视化装置的触觉视觉综合处理特性，人们不仅可 以看剑想要买的物品的形状颜色等，还可以触摸到它的柔软性。 1 4 本文的主要研究内容 本文同绕国家9 7 3 项目“虚拟环境的多感觉信息建模与合成”，针对触觉可视化的基础和关键问 题，着重研究柔顺性触觉再现系统的设计和加l ：、虚拟环境物体的建模和变形算法、触觉可视化系 统软什实现和仿真实验。具体研究内容如f ： 4 第一章绪论 ( 1 ) 第二章主要介绍一类新型的柔性触觉再现系统原理及其组成。该系统采用丝杆螺母传动机 构，通过对步进电机的位置控制，实时、精确地控制弹性梁的有效敏感长度。进而快速改变弹性梁 的刚度( 弹性系数) ，从而使操作者可以感知剑虚拟物体或遥操作机器人作用对象刚度或柔性的变化。 本章内容包括： a 、新型柔性触觉再现系统的工作原理； b 、触觉再现系统的设计方案； c 、研究该系统的软硬件的设计内容。 ( 2 ) 第三章主要研究虚拟触觉建模及其变形算法，针对系统应用场合和要求，选择恰当的形变 模型和算法。本章内容包括： a 、基于几何的力变形模型研究和选择； b 、基丁物理定律的力变形模型研究和分析； c 、碰撞检测的基本概念、基本思想、常片j 算法以及柔性触觉可视化系统下的碰撞检测的一些 特点； d 、几种变形算法性能分析和比较。 ( 3 ) 第四章主要研究触觉可视化系统的实现工具、实现方法、程序编写。本章内容如下： a 、工具软件o p e n g l 的相关知识及其在w i n d o w s 下虚拟环境建模的特点； b 、触觉可视化系统的软件开发流程图、规则模型、不规则模型的建模方法、变形特点； c 、系统程序编写的过程。 ( 4 ) 第五章介绍触觉可视化系统的仿真实验目的、实验的平台及流程，以及对仿真结果和软件性 能进行分析和讨论，本章内容如下： a 、触觉可视化系统仿真实验目的； b 、触觉可视化系统仿真实验条件、平台、仿真内容和流程； c 、仿真结果分析和软件性能讨论。 5 东南人学硕士学位论文 2 1 引言 第二章触觉再现系统的原理及组成 触觉再现装置是重要的人机接口装置。在虚拟现实系统中，操作者通过该系统可以触摸虚拟环 境中的虚拟物体，真实地感知虚拟物体的柔性、刚度、表面纹理等触觉特性；在遥操作机器人系统 远程作业过程中，它可以将机器人末端执行器作用对象的触觉信息反馈给操作人员，并在操作者的 指端再现，从而使操作者感觉到自己仿佛就在现场用手指探索作用对象，这样操作者就可以准确地 判断物体的触觉特性。 触觉再现装置的应用范围很广泛。在机器人完成复杂工作的过程中，视觉同然很重要，但在一 些视觉不能满足人们需求的情况下，通过触觉再现可以完成某些较为特殊的工作。例如，在海底打 捞工作中，带有触觉再现装置的机械手可以直接接触沉在海底的物品；把带有触觉再现装置的机器 人送到外星球上，可以感知外星球岩石的质地和强度；在虚拟手术和远程手术中( 如图2 - 1 所示) ， 通过触觉再现装置，医生们可以感知到虚拟环境或远程手术现场中的肌肉、组织、器官、肿瘤等对 象【8 l 【9 】，从而方便医生进行远程诊断、手术；在远程作业过程中，我们需要知道t 件本身的刚度特 性以及工件装配过程中的配合情况，触觉再现装置可以解决这一问题；在今后的虚拟购物或远程购 物中，我们不仅可以看到我们想要买的物品的形状颜色，还可以触摸到它的柔软性，这也是通过触 觉再现装置实现的。 图2 - 1 一种触觉再现系统在远科手术虚拟手术中的应川 6 第二章触觉冉现系统的原理及组成 2 2 触觉再现系统工作原理 触觉再现感知系统的结构组成如图2 - 2 所示，主要由弹性梁、丝杆、压紧装置、螺母、电机等 部分组成。电机带动丝杆转动，进而带动丝轮做水平运动，因此通过控制电机的转动和速度，可以 准确地控制弹性梁有效长度的变化和变化速度，从而使操作者手指在感知帽处感知到的刚度或柔性 发生变化，只要实时地控制弹性梁有效长度，就能够保证人手感知到的刚度的变化同虚拟对象或远 程对象的刚度变化相一致。也就是说，当手指放在触觉感知帽上时，通过主动施加压力就可以感知 到虚拟物体或远程机器人作用对象的刚度或柔性。 触觉感知再现系统的j 1 = 作原理如图2 - 2 所示。 周2 - 2 触觉再现系统结构图 根据材料力学原理【1 5 1 ，弹性梁在受力情况下的变形如下： y 。奇 疗3 其中，e 为材料的杨氏弹性模量，为弹性梁的转动惯量。 ( 2 1 ) ，。壁( 2 2 ) 1 2 冥中，b 羽l h 分别为弹性梁的宽度和厚度。将( 2 2 ) 式带入( 2 1 ) 式得： v 。旦竺( 2 3 一) l l 一 ( z ， 7 e b h 3 。 由上式可知该弹性梁的刚度( 为分析方便，这里的刚度指弹性系数而1 f 刚度系数) 为： k ；上：一e b h a ( 2 4 ) y 4 。 从上式可知，当弹性梁的t 斑度与厚度不变的情况卜，弹性粱的刚度k 与其弹性形变有效k 度f 的 7 东南大学硕l ：学位论文 3 次方成反比。再将上式两边对时间求导可得弹性梁刚度的变化率： 掀班d l3 e b h 3 瓦。万万一1 r 则一d td t d t4 1 4 ( 2 5 ) 其中，y ，。柳是弹性梁有效长度，的变化速率，它是由电机的转速决定的。 从( 2 4 ) ( 2 5 ) 式中可知：通过控制弹性梁的有效变形长度z 就可以迅速准确地控制弹性梁所 输出的弹性系数k 的变化。 2 3 触觉再现系统设计方案 由以上的叙述可知，实现触觉再现的关键是要能够实时地控制弹性梁的有效长度z 。即对步进 电机进行精确的位置控制。 触觉再现系统的控制系统的组成如图2 - 3 所示。根据从遥操作机器人操作对象或者虚拟环境下 获取的物体的刚度或柔性数据在p c 机中建立模型。通过式( 2 4 ) 计算可以得剑一个相对应的弹性梁 的有效长度值z ，即： ( 2 6 ) 图2 - 3 触觉再现系统的组成 由于有限长度的弹性梁再现的最人和虽：j , l 习l j 度是一定的，所以需要注意获取的刚度数据是不是 在现有的弹性梁的再现量程之中。下面对所使刚的弹性梁的再现刚度范同进行计算： 弹性梁全长：z = 9 0m m宽度：b = 1 0m m 厚度：h = 0 3m m 杨氏弹性模苗：e = 2 0 0 1 0 9 n m 2 弹性梁的最长有效长度： ，。缸= 8 1 5r a m 8 第- 二章触觉再现系统的原理及组成 弹性梁的最短有效长度： z 。i 。= 2 0 5m m 其中，。和，。；。是由触觉再现机械装置f i i i l 有的结构决定的。 由式( 2 4 ) 计算得： k 。万e b h 3 。竺竺9 掣竺- 型3 掣- 33 | 2 5 聊 ( 2 7 ) i n 砭。习五面r “纠聊 皑 k。罂：一200 x109 x l o x l o _ 3 x ( 0 3 x l o _ 3 ) 3 。1 3 1 3 0 n ，朋 ( 2 z8 ) k m 。工- 了2 7 = _ 函一。，竹 l 石j 4 1 m i n 4 x i2 0 8 1 0 。l 所以，只要从p c 机中获取的刚度值在( k 。i 。，七一) 之间，就可以计算出相应得弹性梁的有 效长度，。由于不同弹性梁的杨氏模量e 是相近的，所以我们一般通过选择不同宽度b 和厚度h 的 弹簧钢来调节刚度耸程。而通过式( 2 4 ) 可见，刚度k 和厚度h 的三次方成正比，和宽度b 的一次 方成正比。 有效长度，的调节是通过单片机对电机驱动板的控制实现的。由程序控制单片机发出脉冲( c l k ) 和方向( d i r ) 信号。电机驱动电路板接收该信号，实现步进电机的位置控制和速度控制。方向( d i r ) 信号决定电机的转动方向；脉冲( p u l s e ) 信号的频率决定电机的转动速度，脉冲的个数决定了电机 转动的罔数( 电机转一圈，电机驱动电路板接收2 0 0 个脉冲) 。由于电机输出轴与丝杆相联，控制了 电机的运动就相当于控制了丝杆上螺母的相对位置，也就实现了对弹性梁的有效k 度的实时控制。 同时，安装在触觉再现系统上的压力传感器、位移传感器和限位开关分别采集力信号、位移信 号以及限位信号。其中，力传感器测量的是人手主动施加在弹性梁接触点处的压力厂，位移传感 器测量的是当人手施加压力时弹性梁接触点处的位移( 形变) y ，限位开关装在压紧装置上面，在 其运动过程中防止螺母超过极限位置引起的机械装置损坏或者造成电机堵转。力传感器和必须通过 信号调理电路进行放大、滤波信号通过a d 转换后传递给p c 机进行处理。限位开关的信号直接传 送给单片机的外部中断0 处理。位移传感器信号则通过一个下拉电阻输入到a d 转换芯片处理。 采集到的力信号厂和位移信号y 通过公式k 。厂b 可以计算当前位置下弹性梁的等效刚度，从 而可以实现定量地再现遥操作机器人操作对象或虚拟环境下物体的刚度或柔性。 2 4 触觉再现系统硬件结构 2 4 i 系统的机械结构 触觉再现系统的总装配三维立体图如图2 - 4 所示。该系统主要组成部分包括：弹性梁、指按棒、 压紧装置、电机、支架板、丝杆、限位开关、丝杆螺母装配体等。下面分别介绍该装置中儿个重要 的部分。 9 东南 学颈l 学位论文 删2 - 4 触觉再现系统总装配幽 ( 1 ) 丝杆旁边有两根导杆川于定位；螺母镶在螺母座上使螺母座随着螺母一起水平运动。 螺母座x 和压紧装置连接在一起，所以当电机带动丝杆转动时丝杆上的螺母连同螺母座和压紧装 置就会进行水平运动。 ( 2 ) 指按帽的上表面安装压力传感器，直接与手接触来感受压力。按指帽下表面安装霍尔位移 传堪器。以测量压力的大小及弹性粱的位移。 ( 3 ) 压紧装置由压紧上部和伍紧f 部组成。由于压紧装置和螺母座制连，所以它随着螺母座一 起做水平运动，弹簧片的位置是捌定不变的所以随着压紧装置的运动，压紧滚轮与弹簧片的接触 点之间的距离也就相麻改变，这个距离就是弹性粱的有效k 度，。 ( 4 ) 在指按棒的两边，我们创新性地设计了2 根鼠标指引杆可将f 方的鼠标左右键引导上来， 这样可以在移动鼠标的同时，方便地感知触觉反馈。经测试，该指引杆反应灵敏符合预期结果。 机械加1 1 6 1 、组装后的触觉再现系统的实物图如图2 - 5 所示。整个装置k 约l o o m ( 不包括步 进电机) ，宽约7 e r a ，高约1 5 e r a 。弹性粱采爿j 弹簧钢材料。全长9 0 皿，宽l o m m ，厚度为03 一， 其杨式弹性模量为2 0 0 1 0 9 ，“2 ；j , j 了减轻重量，触觉感知棒的材料采用聚四氟乙烯：丝杠帛j 螺母 采坩钢材料：其他大部分零件的材料是i 程塑料。 在滑块上安装了2 个限位开关，分* h j 丁左、右螺母间距离极小a 慨人这眄种极限情况的安全 保护。距离极小限位开关的作川主要是防l r 电机，大控辞原冈造成左、右螺母碰撞带米的机械损伤以 及电机堵转：距离极 限位开关的作川一方面同k 另方面还川j ：完成系统启动时的复位揲作。 第一章触觉再现系统的蟓及组成 2 4 2 信号采集系统 图2 - 5 触觉再现系统实物酗 豳2 - 3 中，p c 机、数据采集骨、力传感器、位移传感器和信号橱理电路组成信号采集系统。 数据采集系统的基本任务是物理信号的采集或测簟。系统被检测的物理信号一般可分为数字开 关量和模拟量。所谓的开关量信号，是指信号为状态信号，如我们经常丹到的继电器的吸台与断开， 光电门的导通与截止，限位开关的打开与台上等。开戈鼙信号的特点是它的电平只有两种，即高电 平车低屯平。对丁此种信号我们只需进行信号的放人、整形和电平转换等简单的处理，就可直接 传输给计算机系统。模拟苗信号是由传搏器采集得到的连续变化的值此类信号的幅度在任何时刻 都有定义。所队，对此类信号需要进行较为复杂的处理，在进行信号放人、滤波、量化等处理过程 中还要考虑刮干扰信号的抑制、转换精度等诸多田索。l 。1 【”1 【”1 传感器是实现测苗与控制的首要环仃是测控系统的戈键部件，冈为利川传感器将非电物理蜮 转换成l 毡信号才能完成制4 鼙和控制任务。信号调理电路是对传甚器输山信号进行放人_ l 滤波对整 个系统的i f 靠性有较为关键的怍川。 2 ，4 3 电机控制系统 幽2 - 3 中，p c 机、步进电机嗣i 电机驱动电路纽成电机控制系统i 刈【“i 。 电机控制系统州米控制步进电机以达到蔺忸弹性棠有敛长度的目的。步进电机是一种将电脉冲 转化为角位移的执行机构，当步进驱动器拄收刮一个脉冲信号就驱动步进电机按殴定的方向转动 一个j 捌定的角度( 即步进角) 。田此可以通过控制脉冲个数来控制角位移坫。从而达到准确定位的目 东南上学颤t 学位* 女 的；同时可以通过控制脉冲频率米控制电机转动的速度乖加速度，札而逃到调速的目的。电机驱动 电路的要求是能够驱动电机，而且电机运行精度，噪声、平稳性和振动等方面满足就可以了。由于 该机械装置比较精巧一般选择中小型电机基本能满足要求。编码器是高精度控制系统常片j 的位移 检测传感器，它能提高控制精度，准确测量控制对象的位置。 2 6 触觉再现系统软件设计内容 2 5 1t l a p h cd i s p l a y 软件主界面 p c 机需要输出控制信号控制电机转动，也需要保存和计算数据采集# 采集到的传感器信号，同 时还要以数值、图形化等方式显示操作者与系统室互的结果。囤2 1 6 中展示了h a p t i cd i s p l a y 软件主界面。该软件同时具有配置数据采集卡以及电机参数、电机的实时位置控制、数据采集以及 显示、数据的实时幽形化显示和数据存储、在o p e n g lf 虚拟建模菩功能。 z 目口b 幽2 - 6 h a p t i c d i s p l a y 软1 t | = 主界面 士界面再樱块( 幽中已标注) 功能如 ( 1 ) 参数设置与显示 第一二章触觉冉现系统的原理及组成 完成配置数据采集卡、选择电机转速、数据显示等功能。 系统运行之前，必须进行参数设置。由于p c 机中可能多块数据采集卡，应选择系统使用的数 据采集卡的卡号( 本系统使用的数据采集卡p c i 一9 1 1 2 的默认卡号为o ) ，同时我们还必须设置数据 采集忙的a d 采样频率( p c i - 9 1 1 2 最大采样频率可以达到1 1 0 k h z ) ，电机的转速也是可以选择的， ( 该系统使刚的电机的转速选择范围是0 3 0 0 0 r p m ) 。 ( 2 ) 数据的图形化显示 以图形化的方式实时地显示力传感器和位移传感器2 个通道实时采样的波形。其中，力传感器 的有效测量范围是0 1 5 0 0 9 ，位移传感器的有效测量范围是0 。1 5 m m ，超出范闱的值则无法在图 形区准确地显示。 ( 3 ) 记录保存数据 实验时，我们称记录受试人员每次感知( 即指按棒) 的数据( 包括力、位移、刚度) 为一个记 录点。为了便于分析实验结果，每一个记录点都必须保存在特定的文件中。因此在实现这一功能时， 事先选择一个指定路径的e x c e l 格式的文件来记录这些数据，不同的记录点对应的是同一e x c e l 文 件中不同的内部j ：作表( e x c e ls h e e t ) 。单击“自动记录”按钮后每隔l o o m s 记录一次数据，单击“写 入文件”后将这些数据存入到指定路径的e x c e l 文件中。 ( 4 ) 触觉可视化区域 该区域就是柔顺性触觉可视化系统的图形显示区域，这部分主要是通过虚拟建立的力觉模型， 来真实反映弹性梁的变形，以达到触觉可视化的目的，相关内容将在第四章详细讲述。 应用程序使用v i s u a lc + + 6 0 环境下的m f c 技术。m f c ( m i c r o s o f tf o u n d a t i o nc l a s sl i b r a r y ) 是m i c r o s o f t 提供的基本类库，封装了所有w i n d o w s a p i 函数，并提供一个应用程序框架。使用m f c 开发界面友好的w i n d o w s 下的应用程序，能够大大提高程序员的t 作效掣兹2 3 1 。 2 5 2 数据采集卡编程 数据采集 程序的编写部分调用了数据采集膏自带的动态链接库( d l l ) 中的函数，具有简便、 迅速和精确的优点。 程序的编写步骤如图2 7 所示。考虑到数据采集矗采样结果会占用相当一部分内存，我们通常 采用虚拟内存技术，该技术是指用硬盘空间做内存来弥补计算机r a m 空间的缺乏，缓解内存资源 的紧张；初始化数据采集卡的工作包括采集卡的注册、配置等；对力传感器利位移传感器的双通道 连续采样只需要调用数据采集卡自带的d l l 函数即可；采集1 ：作完成后需要释放虚拟内存、清零计 数器和释放采集卡等。 分配 初始实现对力传感器释放虚拟内存 虚拟 斗 化采 和位移传感器的 和采集 内存集卡 双通道连续采样 图2 7 数据采集膏样序编写 1 3 东南人学硕 = 学位论文 2 5 3 电机控制编程 电机控制软件模块需要实现的功能包括对电机的位置精确控制、电机的复位功能以及电机在运 动过程中的安全性检测等。对步进电机的位置精确控制主要是通过设置两个寄存器，一个用于存放 目标位置或坐标( 即这次电机运动停止后所处的位置或坐标) ，另一个用于存放上一次电机停止时的 位置。在每次执行中断程序的时候，首先都要计算目标位置和上一次停止时位置的偏差，这个偏差 的正负决定了电机即将转动的方向，偏差的绝对值的大小决定了电机即将转动的距离：复位功能完 成坐标清零工作，即将左右螺母放置在坐标为零的位置；电机的安全性检测主要是防止电机堵转、 保护设备安全，可以通过设置两个限位开关来实现的，程序在运行的全过程中，需要频繁地检测限 位开关的状态是否正常。 2 6 本章小结 本章概述了触觉再现系统的工作原理、设计方案、以及该装置的硬件结构和软件设计内容。触 觉再现系统是柔顺性触觉可视化实现的基础，也是触觉可视化实现的载体，因此，本章的介绍为后 继的研究r t 作奠定了基础 1 4 第三章虚拟触觉建模和算法 3 1 引言 第三章虚拟触觉建模和算法 触觉可视化技术的实现是通过在计算机中建立真实世界的三维场景，为计算机操作者提供模拟 真实环境的感受。为了逼真地模拟物理世界，需要将虚拟世界中物体的特性全面反映给操作者，当 人与虚拟环境交互时，不但能通过眼睛观察到虚拟场景的视觉信息，还可以通过手或相关工具对真 实环境进行操作，而且能够感受得到来自真实环境的反作用力。以往的虚拟现实技术，主要侧重于 视觉仿真，通过火型的图形工作站和图像仿真软件模拟复杂现场效果，没有与虚拟环境进行力的交 互。触觉可视化系统能够真实地反映出物体各部分的形变。这样的带有触觉反馈的虚拟现实就跟以 往不同，它将从环境中获取到的数据经过计算再反馈给环境以达到视觉触觉协调一致的目的。由于 触觉再现的力信息来自虚拟环境，是通过对虚拟环境中物体的接触和变形的检测、由虚拟力模型计 算获得。因此，触觉再现与虚拟环境的生成方法( 主要是视觉显示) 有着紧密的联系。 本章首先分析触觉建模的方法，包括几何的触觉建模和基于物理意义的触觉建模，然后分析碰 撞检测的基本概念和常用算法，最后对几种变形算法的性能进行比较。 3 2 触觉建模分析 触觉可视化的关键问题之一就是虚拟触觉建模，虚拟环境中模型有两种，一种是刚性物体，即 当施加外力时，物体表面不发生变形：另外一种模型是柔性物体，对于这种模型，当施加外力时物 体表面会发生变形，形变量与物体材质有关，本文研究的就是柔性物体的触觉可视化。这种柔性物 体的触觉建模主要包括：虚拟环境中物体造型技术以及接触状态的- n 另j ! ( 碰撞检测) ；基于物理意 义的力的计算模型；力和变形的映射方法。 对物体的变形和接触力建模总体可以分为两人类，一类是基于几何的力变形建模，另一类是基 于物理意义的力变形建模。基于几何的力变形建模方法，是通过几何插值的方法直接改变物体表面 的控制点从而改变物体形状，接触力正比丁物体的变形量；这种方法速度快，相对容易实现1 2 4 1 。基 于物理意义的力计算模型由丁是从物理定律山发，分析力和形变的关系，冈此，基于物理意义的力 的计算模型和基丁物理意义的变形的计算模型一致，比如有限元法( f e m ) 和弹簧一质点法( m a s s - - s p r i n gm e t h o d ) 。这两类接触力模型尽管在数学形式、求解过程有所不同，但都可门结为对物体 进行网格化划分，根据牛顿运动定律，给山质点间弹簧的形变关系( 可以用力的形式表示，也可以 川能量表示) ，得到偏微分方程( 组) ，最终川数值方法求解该方程( 组) ，基丁物理意义的力变形模型 计算鼙人，但真实可靠【2 5 1 。 1 5 东南人学硕i 学位诧文 3 2 1 常用的几何建模算法 虚拟力来源丁虚拟物体间的相互接触，因此首先耍描述虚拟物体的三维造型和外观，即耍进 行儿何建模，几何建模是在虚拟现实建模技术中最先得到发展的。虚拟环境中物体所用的模l o 大致 可以分为面模窄和体模型两种。 面模犁用物体的边界表示物体，而不包括物体的内部信息。j j 面模型构造虚拟物体一般有两种 方法t 一种是凸多边形如止方形面片，三角面片等另一种是埘凹多边形，由丁凹多边形可以分 解成儿个凸多边形，冈此本文中几何模型采刚的是凸多边形。 体模型就是采h j 体元米表示物体可以描述物体的内部信息。在一些领域中尤其需要这种能够 表选物体内部信息的应，如在医学斟像领域中的虚拟组织切割系统中，由丁面模型比体模型拥有 更少的顶点和面片数量，从而减少了计算时间，但是在表征虚拟物体变形时，面模型不包括物体的 内部信息不能报好地模拟物体的物理属性，在这种虚拟组织变形和切割操作中，存在儿何及拓扑 结构上的变化，所咀一般栗片j 体模璎更加台理。用体模颦构造虚拟物体一般有长方体体元、圆柱体 体元、 面体体元等方法。体模型所需要的存储鼙较大计算量也鞍人，而且现有的对面模型的研 究和应_ 【| j 也比体模1 4 成熟许多1 2 b i 。因此本文在选择构造虚拟物体的模型时采用面模艰米构造。 、基于正方形面片的三维模型 正方形面片是一种较为简单的儿何建模方法正方形的优点是参数少，唯一的参数就是正方形 的边k ，在乎面物体模型中有较人优势，比如在构造正方体模型、长方体模型等平面物体模型的表 面时，用正方形面片就可以较为简单地实现。 正方形面片包含四个顶点构建砼方体模型时，四个顶点都在同一平面上，但当模型发生了变 形出现深度变化时，四个顶点就不在同一平面上模型就会出现变形不对称的情况如l ! 臼3 1 所示。 这样的不对称会使得模型产生的变形与实际情况不符为了修止这种缺| 【f ；本文采坩了基丁j 角形面片的构造方法。 ( a ) 止方形面片( b ) 有止方形面片构造的横l o 变形效果 闰3 1 正方形面片目l 由i l 方形面片构遗的模删变形 第= 章虚拟触觉盐模算往 、基于三角形面片的三维模型 三角形面片构造三维模型是应用虽普遍的儿何建模方法二角形的优点就是二点确定一个平面 在对物体的变形和接触力建模时，只要计算得到三角形的三个顶点即可确定一个平面，而不论模犁 发生了什么样的变形对于编穗实现来说，这点根重要。在f 一章中将详细阐述如何通过程序实现 三角形面片所构造的三维模型变形。 使用三角形面片克服了一些正方形面片在模1 9 需要发生形变时出现的不对称的情况，如图所示。 为了能让模型变形更加逼真，可咀使三角形面片边长减小，面片数量增多，更加细化模型，这样在 模型拉生形变时，看上去更加逼真如图3 2 所示。 ( a ) 三角形面片( b ) 有三角形面片构造的模型变形效果 剀3 2 三角形面片和由三角形面片构造的模型变形 3 2 2 物理建模 在虚拟环境中，柔性物体变形的控制方法具有多样性。除前面讲述的纯儿何的变形模型外还 有基丁物理意义的变形模犁。前面讲到纯几何的方法是通过直接调格控制点米改变模型的形状。 这种建模方法容易实现，而且计算速度快，但不具备真实的物理意义。 基丁物理意义的变形模型在已知施加的外力和物体材料属性的情况f ，根据物理定律和事先 建立的变形模型，系统就会自动计算出物体所发生的变形及分布情况。这种模刑由于增加了物理学 上的约柬计算，在计算培上要比几f 模型大许多，可是它碲具有高度的逼真性和哽加j 泛的麻川范 嗣。请如在前面讲述的这种触觉再现系统中，求解接触力通常是由变形计算产生，冈而在触觉再 现系统中，对接触力的建模主要是研究力和变形的芙系1 2 ”。 基r 物理意义的力计算模型从物理定律山发分析力自i 形变的笑系，田此基r 物理意义的力的 计算模璎和变形的计算模型是致的。物理模型有s p l i n e 曲线