（轮机工程专业论文）气动喷嘴式触觉再现装置的仿真与试验研究.pdf

中文摘要 摘要 虚拟现实是2 0 世纪8 0 年代随着对计算机图形仿真技术和智能机器人技术深 入研究而发展起来的一个新的研究领域，它是一种可以创建和体验虚拟世界的计 算机系统。近年来，随着计算机图形学、图像处理与模式识别、智能接口技术、 人工智能技术、多传感器技术等的研究取得了很大的进展，虚拟现实在娱乐、仿 真、虚拟训练、遥操作机器人的临场感技术等许多领域得到了越来越广泛的应用。 虚拟现实系统的工作效率主要由系统的沉浸程度与交互程度决定的，而沉浸 程度和交互程度则由系统中的头盔显示器、位置与方位跟踪器、触觉力觉再现等 决定。随着虚拟现实技术的不断发展，将触觉和力觉感知引入到虚拟环境中显得 越来越重要，特别是对于有些场合要求操作者对虚拟环境进行灵巧度要求很高的 精细操作，例如在虚拟人体上进行外科手术培训，不能没有触觉和力觉反馈信息。 根据对人类因素的试验发现，简单的双指活动，如果将触觉反馈和视觉显示结合 起来，其性能要比单独使用视觉显示要提高1 0 ；进一步，当视觉显示失败的时 候，附加使用触觉反馈则会使性能提高3 0 以上。 本课题的研究目的主要是利用气动原理实现与虚拟环境进行触觉交互的基础 性研究，以此推动其在虚拟装配等领域的应用。因此，本课题的研究和探索具有 重要的理论意义和很高的实际应用价值。在文中首先分析了人手指皮肤的内部结 构和与触觉有关的机械刺激神经木梢的特征，确定了利用气动喷嘴刺激s a i 神经 末梢模拟人手触摸物体的角、边、面的感觉。利用g a m b i t 建立了人手指和喷嘴的 有限元模型，利用f l u e n t 对喷嘴流场进行了仿真，根据仿真结果优化确定了喷嘴 阵列的相关尺寸，并加工了两个喷嘴阵列。最后搭建了试验台，从试验的角度来 验证该喷嘴阵列的效果。 关键词：虚拟现实；触觉再现；气动喷嘴；开关阀 英文摘要 t h es i m u l a t i o na n d e x p e r i m e n t a lr e s e a r c hi n t ot h e p n e u m a t i ct a c t i l ef e e d b a c kd e v i c e a b s t r a c t v i r t u a lr e a l i t yi san e wr e s e a r c ha r e aw h i c hi sd e v e l o p i n gw i t ht h er e s e a r c ho ft h e c o m p u t e rg r a p h i c ss i m u l a t i o na n di n t e l l i g e n tr o b o tt e c h n o l o g ys i n c e19 8 0 s v ri sa c o m p u t e rs y s t e mt h a tc a nb u i l da n de x p e r i e n c ev i r t u a lw o r d i nt h el a s tf e wd e c a d e s ，t h e c o m p u t e rg r a p h i c s ，i m a g ep r o c e s s i n ga n dp a t t e r nr e c o g n i t i o n ，i n t e l l i g e n ti n t e r f a c e t e c h n o l o g y , a r t i f i c i a li n t e l l i g e n t ，m u l t i s e n s o rt e c h n o l o g yw e r ed e v e l o p e dr a p i d l y t h e v rh a sb e e na p p l i e di nt h ef i e l do fe n t e r t a i n m e n ti n d u s t r y , s i m u l a t i o n ，v i r t u a lt r a i n ， t e l e - p r e s e n c e ，e ta 1 m o r ea n dm o r ep o p u l a r t h ee f f i c i e n c yo fv rs y s t e mi sd e t e r m i n e db yt h ed e g r e eo fi t si m m e r s i o na n d i n t e r a c t i v i t y a l lo ft h i s a r er e l a t e dw i t ht h eh e a d - m o u n t e dd i s p l a y , p o s i t i o na n d d i r e c t i o nt r a c t o r , t a c t i l ea n df o r c ef e e d b a c ki nt h es y s t e m i t sm o r en e c e s s a r ya d dt h e t a c t i l ea n df o r c ef e e d b a c ki n t ot h es y s t e m f o re x a m p l e ，t h eo p e r a t i o no fv i r t u a ls u r g e r y m u s th a v et h et a c t i l ea n df o r c ef e e d b a c k a c c o r d i n gt ot h ee x p e r i m e n to fh u m a nf a c t o r s ， i fw ec o m b i n et h et a c t i l ef e e d b a c kw i t ht h ev i s u a ld i s p l a y , t h ep e r f o r m a n c eo ff i n g e r m o v e m e n ti nt h es y s t e mc a ni n c r e a s e10 c o m p a r ew i t hj u s tu s ev i r t u a ld i s p l a y m o r e o v e r , w h e nt h ev i s u a ld i s p l a yi sf a i li nt h es y s t e m ，t h ep e r f o r m a n c eo ft a c t i l e f e e d b a c kw i l l i n c r e a s em o r et h a n3o t h ep u r p o s eo fm yt h e s i si sd o i n gs o m ef u n d a m e n t a lr e s e a r c ho nt a c t i l ei n t e r f a c e w i t hv i r t u a lw o r l d ，w h i c hu s e st h ep n e u m a t i ct e c h n o l o g y t h ef i n a lg o a li sw e h o p ei t c a nb eu s e di nt h ev i r t u a la s s e m b l e s o ，o u rr e s e a r c ho nt h ea b o v ep r o b l e m si s s i g n i f i c a n ti nt h ep r a c t i c ea n dt h e o r y i nm yt h e s i s ，t h es t r u c t u r eo ff i n g e rs k i na n dt h e c h a r a c t e r i s t i co fm e c h a n o r e c e p t o r sr e l a t e dt ot a c t i l i t ya r ea n a l y z e df i r s t ，a n dp e r c e p t i o n o ft o u c h i n gt h ec o m e r , e d g ea n ds u r f a c eo fo b j e c ti ss i m u l a t i o nb ye x c i t i n gt h es a i n e r v ec e l lw i t hp n e u m a t i cn o z z l e t h ef i n i t ee l e m e n tm o d e l so ff i n g e rs k i na n dn o z z l e a r te s t a b l i s h e db yg a m b i ta n ds o l v e db yf l u e n t a tl a s t ，t h ed e s i g np a r a m e t e r so f n o z z l e 英文摘要 a l ed e t e r m i n e db yt h es i m u l a t i o n ，b yw h i c ht w o3 3n o z z l ea r r a y sa r ec o n s t r u c t e d i n t h ee n d ，t h i sp a p e ri n v e s t i g a t e st h ep r a c t i c ee f f e c to ft h en o z z l ea r r a yf r o mt h ep o i n to f e x p e r i m e n t a l k e yw o r d s ：v i r t u a lr e a l i t y ；t a c t i l ef e e d b a c k ；p n e u m a t i cn o z z l e ；s w i t c hv a l v e 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成博士硕士学位论文竺氢塾式齄堂要巍苤置数仿墓皇达验硒塞= = 。除论文 中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文 中以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公 开发表或未公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：才易归华砖年4 月盖日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连海事大学研究生学位论文提交、 版权使用管理办法，同意大连海事大学保留并向国家有关部门或机构送交学位 论文酶复印件和电子版，允许论文被查阅和借阂。本入授权大连海事大学可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 保密口，在年解密恁适雳本授权书。 本学位论文属于：保密口 不保童乎( 请在以上方框内打“弦) 论文佟者龋枷簪导师繇缈 f 1 期：”埘年朋2 日 气动喷嘴式触觉再现装置的仿真与试验研究 第1 章绪论 1 1 课题背景及意义 虚拟现实( v i r t u a lr e a l i t y , 简称v r ) 是2 0 世纪8 0 年代随着对计算机图形仿真技术 和智能机器人深入研究而发展起来的一个新的研究领域，它是一种可以创建和体验虚拟 世界( v i r t u a lw o r d ) 的计算机系统。虚拟世界是全体虚拟环境( v i r t u a le n v i r o n m e n t ) 或给定仿真对象的全体。虚拟环境是由计算机产生的，通过视、听、触觉等作用于用户， 使之产生身临其境感觉的交互式视觉仿真。近年来，随着计算机图形学、图像处理与模 式识别、智能接口技术、人工智能技术、多传感器技术、语音处理与音响技术的研究取 得了很大的进展，虚拟现实在娱乐、仿真、虚拟训练、可视化计算、遥操作机器人的临 场感( t e l e - p r e s e n c eo rt e l e e x i s t e n c e ) 技术等许多领域得到了越来越广泛的应用【1 。3 】。 交互性( i n t e r a c t i v i t y ) 沉浸性( i m m e r s i o n ) 想象性( i m a g i n a t i o n ) 图1 1 虚拟现实技术的三个特征 f i g 1 1c h a r a c t e r i s t i co fv r 用户作为主角存在于虚拟环境中，可视场景随视点的变化而变化，使用户很难分辨 真假，对虚拟环境内的物体进行操作时能够得到实时的自然反馈，同时可以依靠自己的 感知和认知能力全方位的获取知识，发挥主观能动性，寻求答案并做出判断，这就是虚 拟现实系统最重要的三个基本特征【4 】是：沉浸性( i m m e r s i o n ) 、交互性( i n t e r a c t i v i t y ) 和想象性( i m a g i n a t i o n ) ，如图1 1 所示。它提供了一种先进的人机界面，通过为用户 提供视觉、听觉、触觉等多种直观而自然的实时感知交互的方法与手段，最大程度地方 便了用户的操作，减轻了用户的负担、提高了工作效率。虚拟现实技术使人类跨越了时 间和空间，去探索那些曾经无法涉足的未知世界，并获得身临其境的感觉。这不仅大大 第1 章绪论 拓展了人类的生理和生活的活动空间，并且为人类的知谈创新提供了重要工具。一个典 型的虚拟现实系统的结构可用图1 2 表示【5 1 。 效果最示器 虚拟环境产生器 计算机系统麻用系统 接l i 设备 一霞 信号转换器 hr g b n t s c 卜 | f 口嚣；甾 | 一 仿真 l 酬p ”厂_ 一 管理器 一r g b n t s c | 一 图形叛| ： 三维声音l 1用户麻 7 i用系统 处理器 1 1 计 l li 以y 口卜- 算 转换器f 机 毪箩 jl 接 1 踪器一 , 27f j 卜 口 ， 尽 、h 一 = 维校激 标 数据库 生 成 空间炙断 力及作 器z 孓l o | i ” ： 百蕊沥司 一手套输入控制 以岁口卜 几何造型 镶的数攒手套r 系统 触觉力殷馈糸统 图l 。2 粪鹫v r 系统的缀成 f i g 。1 2t h ec o m p o s i t i o no fat y p i c a lv rs y s t e m 系统的工作效率主要出系统的沉浸程度与交互程度来决定，褥沉浸程度相交互程度 则是由图1 2 中的效果显示器决定的，这里面包括头盔显示器、位置与方位跟踪器、触 觉力觉反馈系统等。随着虚拟现实技术麴不断发展，将触觉和力觉感知弓l 入到虚拟环境 中显得越来越重要，特别是对于有些场合要求操作者对虚拟环境进行灵巧度要求很高的 精细操作，例如在虚拟人体上进行外科手术培训，不能没有触觉和力觉反馈信息疆】。在 那些视场被遮挡的应用场合，触觉和力觉反馈信息将起到举足轻重的作用。在无触觉和 力觉反馈的虚拟现实系统中用户操纵的虚拟手可以正确地接近一只杯子并抓牢它，但是 气动喷嘴式皴觉再现装置的仿真与试验磷究 焉户无法体验手接触椿壁的那种实际触觉感知，褥且还会出现虚拟手穿过杯壁的情形， 显然这些都是与用户固有的经验不相符合的、不真实的。此时视觉和听觉往往不能充分 发挥作用，接触觉( 触觉耩力觉) 就成秀操作过程中最重要和最可靠的信息来源。依靠 高性能的接触觉接口设备，操作者可以获得操作对象的各种运动信息和属性信息，包括 质量、惯量、硬度、材质等，这些信息的丰富程度与真实程度常常决定了能甭成功的完 成作业。 在很多情况下，尽管人们麓看到一个物体的形状，听到它发出声音，毽还是希望亲 手触摸来感知它的质地、纹理和温度等，从而获得更多信息，只有这样才感到较全面地 了解了该物体，也就是说，在虚拟环境中操级和使用物体时如果具有触摸和力的感觉， 就可以提高动作任务完成的效率和准确度。在虚拟环境中，哪怕只是提供了极为有限的 触觉反馈，就有了对虚拟环境中物体相互作用的感受，从而能够大大增强虚拟环境的沉 浸感和真实感。根据对人类因素的试验发现，简单的双指活动，如果将触觉反馈和视觉 显示结合起来，其性能要毙单独使用视觉显示要提高1 0 ；进一步，当视觉显示失败的 时候，附加使用触觉反馈则会使性能提高3 0 以上【。 本课题的研究磊的主要是利用气动原理实现与虚拟环境进行触觉交互的基础性研 究，以此推动其在虚拟装配等领域的应用。因此，本课题的研究和探索具有重要的理论 意义和很高的实际应雕价值。 1 2 触觉再现装置的研究现状 就目前技术来说，触觉再现装置主要局限于手指触觉鞭现装置。按触觉再现原理， 手指触觉再现装置通常可分为五类：基于视觉式、电刺激式、神经腿肉刺激式、气动式 和振动式【4 6 。 所谓基于视觉熬触觉再现就是震入的双眼来判断两个物体是否接触。这是匿前虚拟 现实系统中普遍采用的方法，通过碰撞检测计算，在虚拟世界中显示两个物体相互接触 的情景。由戴可见，基于视觉的触觉再现事实上不应该属于真正的触觉再现，因为雳户 的手指根本没有接受到任何接触的再现信息。 所谓电刺激式是指遥过寅皮肤反馈宽度和频率可变的电脉冲用来刺激皮肤，达到触 第1 章绪论 觉反馈的目的。具有结构简单、成本低，便于集成和实现小型化，分辨率高及易于和计 算机接口等优点，但电刺激容易产生麻刺、振动和灼烧等不舒服的感觉，同时普通操作 者对于电刺激存在心理障碍【8 ，9 】。b l a r n e y 和c l a r k 在他们的感觉替代中使用了电池供电 的电刺激系统，通过放于手腕和手指上的电极引a n 激电流脉冲l m 】。t a n 和z h u 使用类 似的技术为戴有厚手套的宇航员提供感觉 1 1 , 1 2 】，如图1 3 所示。 所谓神经肌肉刺激式是通过生成相应的刺激信号，直接刺激用户相应的感觉器官的 外壁，或者直接刺激皮肤下面的神经肌肉，使人产生触摸到真实物体的感觉，但这种感 觉仅仅是一种幻觉【l3 1 。这种方法多用来激活人体瘫痪的四肢。正是由于这种方法的不安 全性，稍微不慎就有可能损坏人的神经系统，所以这种方法在触觉再现领域应用很少。 所谓机械振动式是指依靠不同频率的振动能够模拟表面纹理、滑动、冲击和刺穿等 效果。机械振动式按照驱动器形式一般有分为以下几类：探针阵列式【4 h 】( 如图1 4 所 示) 、电磁驱动器式、压电晶体式 1 5 , 1 6 1 、记忆合金式【2 ，4 ，1 4 1 ( 如图1 6 所示) 等。电磁驱 动式触觉再现设备包括伺服马达【1 7 ，1 剐( 如图1 5 所示) 、螺线管【1 9 】、振动音圈作为驱动器 的触觉再现设备。 图1 3 电刺激触觉再现图1 4 探针阵列式振动触觉再现图1 5 r c 伺服马达 f i g 1 3e l e c t r o - t a c t i l ed i s p l a yf i g 1 4n e e d l ea c t u a t o r so ft a c t i l ed i s p l a yf i g 1 5r cs e r v o m o t o r t - c t d f t 喇l h a e kp i nt ds h q p ei c l i o y 酊r ( a ) 触觉再现阵列( b ) 单个作用器结构 图1 6 s m m 触觉接口 f i g 1 6s m mt a c t i l ei n t e r f a c e 气动喷嘴式触觉再现装置的仿真与试验研究 目前商业化的产品很少，仅有i m m a s i o n 公司的c y b e r t o u c h ，如图1 7 所示，它是 c y b e r g l o v e 数据手套的一个可选工作形式，作为振动触觉模拟器提供触觉反馈。该设备 装有6 个振动触觉模拟器，其中5 个装在手指上，另外一个装在手掌上。其振动频率是 0 1 2 5 h z ，在1 2 5 h z 时其力作用幅值可以达到1 2 n ，采用标准的r s 2 3 2 作为通讯接口， 增强了设备的通用性。 图1 7c y b e rt o u c h f i g 1 7 c y b e r t o u c h 机械振动式触觉再现装置大多数为桌面固定型，结构复杂，体积大，不便于携带。 由于空气具有很好的压缩性，气体流动的变化对人手几乎不会产生任何不舒服的感觉， 所以气动式触觉再现装置很好地克服了上述缺点，为大多数人所认可，有着良好的发展 和应用前景。 气动式触觉再现装置主要是通过压力、接触等机械刺激作用在人的手指皮肤上，由 皮肤下层的神经末梢产生刺激信号传入人的大脑，使人产生接触物体的感觉。目前，利 用气动原理再现触觉的研究主要有日本、欧美等国家，主要的利用形式有喷气式、气囊 式、气环式、吸气式等，如图1 8 所永7 捌。 一一一 ( a ) 喷气式 ( f 1 ) a i r j e t ( b ) 气囊式 ( b ) a i r p o c k e t ( c ) 气环式 ( c ) a i r r i n g 图1 8 利用压缩空气产生触觉的二种方法 f i g 1 8t h f o bm e t h o d so f p r o v i d i n gt o u c hf e e d b a c ku s i n gp r e s s u r i z e da i r 第1 章绪论 日本的k a t s u h i k os a t o 在遥操作系统中利用气囊式( p n e u m a t i cb a l l o o na c t u a t o r ) 驱 动器来实现触觉【1 9 】，其结构如图1 9 所示，通过手指扣扣在手指上。气环由聚氨酯橡胶 制成，直径8 m m 、长1 2 r a m ，放在手指扣手掌一侧。通过调整供气压力实现不同的触觉 感觉。该驱动器体积小、重量轻，但是只提供接触感，分辨率低。通过研究发现气环式 结构驱动器的带宽受操作者手指软硬程度影响。当气环安装在金属手指上时，带宽为 1 0 h z ，而戴在人手指上仅为5 h z 。 g l o v , 手套 k i rf o c k e t 空气袋 壤 螺刍蘸i 稳么岁 图1 9k a t s u h i k o 触觉接口 ( a ) 手指上的空气袋( b ) 空气袋分布 f i g 1 9k a t s u h i k ot a c t i l ei n t e r f a c e 图1 10t e l e - t a c t 手套 f i g 1 1 0t e l e - t a c tg l o v e 英国先进机器人研究中心研制的t e l e t a c tg l o v e 如图1 1 0 所示，使用安装在手套上 的微型空气袋提供接触反馈【2 , 1 4 , 2 1 1 。每个空气袋有两个毛细管，一个进气，另一个排气， 通过调整气囊的压力对皮肤产生连续的压力，作用点可施加于手掌的表面以及手指的侧 面和背面。气囊可迅速充满或瘪掉，戴上后可感觉虚拟或异地物体的尺寸、形状和质地。 该中心研制的“t e l e t a c ti i 手套做了不少改进，包括增加了空气袋的数目( 2 9 个小的 空气袋和1 个大的空气袋) ，更好地分散接触。食指部位有四个空气袋的阵列，可以顺 序驱动，模拟虚拟物体滑动。此外，一个大的空气袋放在手掌，当加压到3 0 磅平方英 寸时，它抵抗用户的抓取动作，提供对手掌的力反馈。此外，该中心开发的“c o m m a n d e r ” 接触反馈设备上也利用三至五个小空气袋实现触觉反馈。美国麻省理工学院的c a l d e r l 4 8 】 也采用微型气囊在遥操作系统中给主手提供触觉感知。气囊式触觉设备虽然体积小、重 量轻，但是分辨率较低。 利用气动喷嘴式的触觉再现装置最早是在1 9 7 1 年，由美国b l i s s l 2 0 1 和他的同事研制 气动喷嘴式触觉再现装置的仿真与试验研究 的1 2 1 2 的微型喷嘴阵列，主要用来帮助盲人识别字母或者字符，也可以用在遥操作 装置上。麻省理工学院的p a t r i c k 2 2 】设计的3x 3 喷嘴阵列，相对前者较小，可以区别不 同的图案。美国的o o m i c h i t 2 3 j 也对气动喷嘴在遥操作主手的触觉有效性上做过研究。日 本法政大学田中研究室的流体触觉再现装置( f l u i dt a c t i l ed i s p l a y ) 也是利用气动喷嘴 来实现的【2 4 1 ，如图1 1 1 所示。其由8 个气动喷嘴组成阵列，气动喷嘴直径为0 6 m m ， 通过8 个开关阀控制。喷嘴的布置是通过两点阈值法决定。通过流出的压缩空气作用在 手指上提供初始接触感觉，通过一个、一行( 或- n ) 、全部喷嘴出流3 种刺激方式模拟 接触物体的局部形状( 角、边、面) 的触觉。利用虚拟环境，对动态感知物体做了实验， 效果良好。整个结构紧凑，重量轻，仅为2 2 9 。 雾一 ( a ) 气动喷嘴结构( b ) 外观 图1 11 气动喷嘴触觉再现装置 f i g 1 1la i rj e tt a c t i l ed i s p l a yd e v i c e 图1 1 2 c a l d w e l l 触觉阵列 f i g 1 12c a l d w e l lt a c t i l ea r r a y 英国s a l f o r d 大学以c a l d w e l l 为首的研究小组研制的4 4 触觉阵歹i j 【2 5 1 ，类似于机械 振动针式，其结构如图1 1 2 所示。每个触觉单元实际上是一个微型气缸，顶针由不锈钢 制成，项部为球面型，间距为1 7 5 m m 。图中的a i rp o c k e t 是气动人工肌肉，放在触觉 单元模块的侧面。整个模块的重量仅为2 0 9 。控制系统由三部分组成：力控制单元、材 质控制单元、剪切滑动控制单元。该模块主要刺激s a i 、r a i 机械感神经末梢，能够 产生的触觉为：接触压力、表面形状( 边、角、面) 、表面材质、物体表面的侧向滑动 或摩擦等。力单元模拟物体的表面形状，每个顶针能够产生最大3 2 n 的力。材质控制 单元控制压力的波动，使针上下做小幅振动，从而感知物体表面的材质。剪切滑动单元 控制模块侧面4 个气动肌肉内的压力，使模块在x y 方向上产生运动，手指受到剪切力 的作用，从而感觉到滑动或摩擦力的感觉。 船 第1 章绪论 美国加利福尼亚巴克利分校以f e a r i n g 为首的研究小组研制的是5 5 气动销针阵列 组成的触觉阵列【2 6 1 ，如图1 1 3 所示。整个机构由两部分组成：接触接口和气动管路阵 列，两部分是通过硅橡胶浇铸在一起的，从而保证密封，防止了气体泄漏，降低了销针 运动的摩擦力，同时可以形成曲面形式的触觉接触面。触觉单元的间距为2 5 m m ，有效 接触面积为2 5 r a m 2 。气管与手指之间是0 4 r a m 厚的隔膜，触觉是靠这层隔膜形成的密 闭气室产生的，最大能够产生0 3 n 的力，并且出力可以在8 个等级上进行调节。这类 似于气囊式结构，跟c a l d w e l l 设计的触觉阵列一样都属于力再现的形式。触觉阵列主要 是刺激s a i 机械感神经末梢，感知物体的表面形状。 l n l 暗玎a t u b i n g ( a ) 外观 ( b ) 剖面 ( a ) a p p e a r a n c e ( b ) c r o s ss e c t i o n 图1 1 3f e a r i n g 触觉阵列 f i g 1 13f e a r i n gt a c t i l ea r r a y 日本东京大学采用吸气的方式在手指表面形成负压来产生触觉感知【2 7 吲1 ，如图1 1 4 所示。采用不同的负压模式组合对于不同曲率半径的球体和平面进行了触觉感知实验。 建立了皮肤表面的三维有限元模型，以应变能和剪切应变能为指标，对负压产生的模式 与神经末梢细胞( r a 、s a i ) 的响应之间的关系进行了研究。这种感知形式适合于手 掌大面积的触觉感知，分辨率低。 s ，| | 。1 p u s h i n 9 图1 1 4 吸气模拟方式原理图 f i g 1 1 4 s c k e m e t i ci l l u s t r a t i o no fs u c t i o np l 镪姗s i m u l a t i o n 气动喷嘴式触觉再现装置的仿真与试验研究 从目前气动触觉接口的研究现状也可以看出气动触觉再现装置具有结构简单、体积 小，重量轻，费用低、便于携带等优点。由于空气的压缩性，使得整个触觉再现装置系 统的带宽一般都很低，仅适合于模拟s a i 机械感神经元感知的触觉模式，这种触觉模 式一般用于感知物体的微观外形。本文的主要工作是采用气动喷嘴的形式，研究对于不 同物体表面的触觉感知。 1 3 各种触觉再现装置的比较 在分析了触觉再现的国内外研究现状的基础上，把各种形式的触觉再现装置的优缺 点总结如下表1 1 所示： 表1 1 各种触觉再现装置比较 t a b 1 1 t h ec o m p a r i s o no ft a c t i l ed i s p l a y 类别优点缺点 基于视觉式应用普遍沉浸感差 结构简单、成本低，便于集 容易产生麻刺、振动和灼烧 电刺激式等不舒服的感觉，操作者对 成和实现小型化 于电刺激存在心理障碍 没有资料显示这种方式有比直接刺激人的神经术梢，是 神经肌肉刺激式 其它方式明显的优点最不安全的一种方式 大多数为桌面固定型，结构 机械振动式可实现较高频率的触觉再现 复杂，体积大，。不便于携带 结构简单、成本低，便于集 成和实现小型化，刺激方式 气动式 带宽很低 不和皮肤直接接触，不会对 人造成任何不舒服的感觉 从表中不难看出，气动式触觉再现装置有其天然的优势。它不但可以使再现装置的 结构简单化，降低试验成本，而且它更有利于和其它力觉再现等装置集成，这也为整个 再现装置的小型化提供了可能，更为重要的是由于空气流过人体皮肤表面几乎不会给人 体带来任何不舒服的感觉，因此，在安全性方面，气动式触觉再现装置有其它形式的触 觉再现装置所无法比拟的优势。因此，本课题在最初选择触觉再现形式的时候，就决定 第1 章绪论 利用气动原理来实现触觉再现。 1 4 本文的主要内容 本文的研究对象是用于和虚拟现实交互的触觉接口设备，该触觉接口设备利用气动 原理，触觉感知的再现是靠气动式喷嘴实现的，设计了触觉再现试验系统的控制系统。 本文的主要研究内容有： ( 1 ) 从人体自身的触觉感觉系统的作用以及触觉产生的机理出发，详细介绍了人 体皮肤的内部结构和与触觉有关的机械刺激神经末梢的特征，对通过气动喷嘴实现物体 表面形状的触觉感知的可行性进行了分析。 ( 2 ) 在前人研究成果的基础之上，结合了本课题的实验目的，设计出了气动喷嘴 阵列。该喷嘴阵列采用有机玻璃，不但减轻了重量，而且降低了实验的成本。 ( 2 ) 从仿真的角度去优化喷嘴振列的相关尺寸。利用g a m b i t 对气动喷嘴进行建模， 考虑各种影响喷嘴振列的实验效果的因素：喷嘴直径、接触高度、喷嘴之间的间距、供 气压力等，利用f l u e n t 对喷嘴流场进行仿真，从而优化了喷嘴的设计尺寸。 ( 3 ) 搭建了试验台，设计了控制程序。首先用传统的试验方式去验证气动喷嘴对 物体表面形状( 角、边、面) 的模拟效果。实验表明，传统的实验方式不能使气动喷嘴 模拟的点触觉、线触觉、面触觉达到理想的效果。 ( 4 ) 为了和传统的试验方法相区分，我们在本实验系统的回路中增加了一组开关 阀，通过调节开关阀的工作频率和占空比来改善试验效果。 气动喷嘴式触觉再现装置的仿真与试验研究 第2 章人体触觉机理和气动喷嘴式触觉再现装置的设计 2 1 引言 为开发触觉力觉再现装置，理解人体自身触觉系统中各子系统所起的作用是十分必 要的。这些子系统包括机械、感觉、运动和认知子系统。人手的机械结构是由错综排列 的1 9 块骨头组成，通过许多几乎无摩擦的关节相连，外面覆盖着软组织与皮肤。感觉 系统包括大量的、各种类型的存在于皮肤、关节、腱与肌肉之中的感受器与神经末梢。 适当的刺激会激励这些感受器，使它们通过传入神经网络向中枢神经网络发出电脉冲， 继而中枢神经通过传出神经向相应的器官发出指令以执行合适的动作【5 】。 通过手与物体接触而获得的感觉信息可以分为两类：一类是触觉信息，指与物体相 接触的感觉，它主要是通过低阈值的机械感受器对接触区域的皮肤产生神经刺激而产生 的；另一类是运动觉信息，指与力相伴的肢体位置与运动的感觉，主要是由位于关节周 围的皮肤、关节囊、腱、肌肉内的感受器来传递的。当物体接触被动的、相对静止的手 时，除了以前的有关肢体姿势的运动觉信息以外，只有触觉信息被传递；当手在做主动 的、自由运动时( 也就是与物体或皮肤的其他部分无接触) ，只有运动觉信息，但是触 觉信息的空缺也就相当于传输了该运动是自由的这一信息。所有的感受和操作任务都涉 及到了运动觉和触觉两类信息的传输。另外，自由神经术梢和一些感受温度与痛觉的特 殊感受器也参与到了这些任务中。 人体触觉系统可以感知和区别触摸对象的细微差别，触觉力反馈过程可以分解成两 个基本步骤：探测和操作。“探测”主要关注于对物体属性的提炼，它主要包括对物体 表面属性( 如形状、纹理) 和体积属性( 如质量、柔度) 的分析或鉴别；“操作”主要 是个动作任务，可以被大致分为精确任务( 如修表) 。和力量任务( 如使用锤子) 两类。 在任何涉及到与物体发生实际接触的任务中，无论它是探测还是操作，皮肤和皮下 组织的生理特性对于成功地完成任务都起着重要作用。举例来说，在几乎所有的精确任 务中，都要用到手指肚，它是由表面无毛的绷紧的皮肤包裹着处于半液态状的脂肪软组 织构成的，厚约l m m 。作为一块肉体组织，手指肚展示了复杂的机械行为，包括异构 性、各向异性、速度和时间的相关性。皮肤的柔软性和有摩擦性，以及手的感知与运动 第2 章人体触觉机理和气动喷嘴式触觉再现装置的设计 能力，使人既可以一直保持接触地滑过物体表面去探测表面形状，也可以牢牢地抓住物 体进行操作。皮肤的机械负荷、通过皮肤的机械信号的发送以及皮肤机械传感器的传感 都很大程度上依赖于皮肤和皮下组织的机械特性。 本章首先详细介绍了与触觉有关的人手指皮肤的内部结构和与触觉有关的机械感 刺激神经末梢的特征，然后总结了在设计触觉再现装置时应该遵循的设计原则，最后介 绍了本文中的气动喷嘴式触觉再现装置的设计思想。 2 2 手指皮肤的特征 人手与物体接触时产生的触觉信息首先由皮肤的机械刺激神经元感受到，再由神经 脉冲传送至大脑3 2 】。由上文可知人的感觉信息包括两种复杂的组成成分：触觉感和运动 感。触觉感来自各种测量压力、振动、位移和温度的传感器官，用于感知物体表面质地、 滑动、热传导和局部硬度等微观、局部的信息；运动感则通过肌肉、筋腱和关节来感知 身体和外界交互产生的力和运动，获知的是关于物体的宏观、整体的信息。触觉感一般 可分为机械感、温度感和疼痛感3 个组成部分；而运动感包括位置感、移动感和力感3 种模式。 皮怯裹面 嘴氏。貔殇i小体 l 。锄 殇 秽 。 麦尔克氏 ，一 麓影 楠i 盗；。，乏：。甏黔一。群。i 鬻 ：一 一t、， 誓墨品盏互圣翼籀谚姥霉登o l 畦确_ _ 嘲谝赫。 ii， 蝴7 = j 湖辫 图2 1 人皮肤内的机械刺激神经元 f i g 2 1m c c h a n o r e c c p t o r so f t h es k i na tt h ef i n g e r t i p 为了揭示在有外部刺激作用人的皮肤触觉感觉器官时，通过怎样的神经通路，怎样 气动喷嘴式触觉焉现装置静仿真与试验研究 的过程在大脑中产生触觉的，人们从心理生理、神经生理学的螽度进行了大量的研究。 研究表明，人体主要的触觉感知位置是手指指尖，它覆盖着一层有皱褶的无毛皮肤，内 嵌大约1 7 0 0 0 个触觉单元，其中包括至少4 种对压力振动敏感的神经末梢【3 3 3 4 1 ，如图 2 1 所示，分别是：( 1 ) 位于最深层的帕西尼小体( p a c i n i a nc o r p u s c l e ) ：( 2 ) 位于浅表层的迈 斯纳氏小体( m e i s s n e r sc o r p u s c l e ) ；( 3 ) 罗芬尼末梢( r u f t i n ie n d i n g ) ；( 4 ) 麦尔克氏细胞 ( m e r k e l sc e l l s ) 。每种触觉单元处于距皮肤表面的某一特定位置，最浅和最深距离分别 约为0 7 m m 和2 m m 。 这些触觉小体，直接接受外界刺激，并进行能量转换，把物理量转换成神经化学能 量。再由与它们相连接的传入神经传至大脑皮层的触觉皮质感受区，经过这一高级神经 中枢的分析综合，最终产生触觉。 上述的各种触觉小体可以用它们的分布面积和对施于皮肤上的阶段信号的响应速 度来分类，有较小接受区域的称为i 类单元，有较大区域的称为i l 单元；适应速度慢、 对应于静态刺激的神经末梢被称为s a ( 慢速适应) ，适应速度快、无静态响应的称为f a 或r a ( 快速适应1 ) 。生理学研究已证实了4 组功能性机械感神经末梢，它们是：慢适应、 小接受区域的机械感神经末梢( s a q ) ；慢适应、大接受区域机械感神经末梢( s a - i i ) ；快 速适应机械感神经术梢( r a ) ；帕谣尼神经术梢( p c ) 。他们的特性见表2 1 3 5 , 3 6 。 表2 1 机械刺激神经米梢的特征 t 西。2 1s u m m a r yo fm e c h a n o r e c e p t o rp r o p e r t i e s 名称麦尔克氏小体迈斯纳小体罗芬属圆柱体帕西尼氏小体 分类 s a ir a 1s a i ir a i i 位置分布浅浅深深 平均感受面积 1 l m m z1 3 m m z1 9 m m 2l o l m m 2 空闻分辨能力好 差 一般 缀差 传感器比例2 5 4 3 1 9 1 3 频率孵应0 3 3 h z l 6 0 嚣zd c 1 5 h z5 0 1 0 0 0 h z 最敏感频率 2 h z4 0 h z7 h z2 0 0 2 5 0 h z 感知形式压力振动剪切力加速度 第2 章人体触觉机理和气动喷嘴式触觉再现装置的设计 在这四种触觉小体中，s a i i 在人的手指中很小，一般考虑其他三种。r a 和p c 主 要感受振动，而s a i 主要感受压力。也有另一种说法，r a 和p c 看作是速度和加速度 感应器，s a - i 看作是位置感应器。如果能分别刺激三种感受器，然后合成到一块，就能 够产生任何一种触觉形式。 要使进行虚拟操作的人感觉如同j 下在操作真实的物体，模拟触觉的装置必须将综合 的触觉信息再现于人手指上。然而，由于触觉信息的复杂性，要实现完整的触觉再现是 非常困难的。因此，根据实际应用的需要针对某一方面的触觉信息进行人工模拟，是目 前的可行做法。 由于麦尔克氏小体主要的感知形式为压力，感知的频率范围在0 3 3 h z 之间，并且 s a i 机械感神经末梢对于角、边、曲面静态变形敏感【3 7 1 。所以可以利用气动原理在手 指表面产生分布力，并且由于空气的压缩性，而使系统的带宽比较低，可以产生使s a i 感知物体的触觉刺激。本文也是从利用气动喷嘴刺激s a i 神经末梢使人能够感知点、 线、面基本物体形状的方面进行研究。 2 3 设计的指导原则 尽管触觉再现装置的实现形式有多种，但到目前为止，也没有得到广泛应用，究其 原因就是各种装置的性能还不尽如人意，这也与对人体触觉感觉的传感特征的了解还不 完全有很大关系，还有很多未知的无法解释的影响因素。这里面包括对人体的神经心理 学、心理物理学的研究。人的皮肤同时具有被触摸和可变形的特性，而每个人的皮肤的 这种双重性和力学特性又都是不相同的。所以，很难界定一个理想的触觉再现装置到底 需要满足什么样的要求。同时，在人体皮肤的神经解剖学方面也还有很多问题要进行深 入的研究，而且，一些在认知方面的人为因素，例如学习、培训，触觉感受方面的先验 知识，事实证明都会对触觉感知产生影响；人的心理和行为因素对触觉感知也起着重要 作用。 尽管有如此多的未知因素在制约着触觉再现的发展，但综合前人的研究成果发现， 在设计触觉再现装置的时候还是要遵循以下设计原则【2 0 3 8 3 9 】： 首先，触觉再现装置重量要较轻，使操作者能方便的使用，不易产生疲劳，并且要 气动喷嘴式触觉再现装置的仿真与试验研究 便于随身携带。 其次，触觉再现装置的结构要小巧紧凑，尽量能够适应不同的操作者使用，同时还 不能限制操作者手的自然运动。 第三，要安全可靠。操作者长时间使用不会出现安全问题，其维数和活动的范围尽 可能和人手一致。同时，该触觉再现装置能覆盖人手上的主要触觉作用区域。 第四，造价低廉。市面上仅有的几款触觉再现装置的造价非常昂贵，动辄几千美金， 这也阻碍了触觉再现装置在个人电脑上的应用。 第五，尽量避免使用感觉替代，也就是说操作者可以不假思索地理解再现信号的意 义。 最后，触觉再现装置要能够较精确的测量和较准确的实现触觉再现。 2 4 气动喷嘴式触觉再现装置的设计 2 4 1 设计思想 人手在触摸不同物体表面时产生不同的触觉信息，如图2 2 所示。图2 2 ( a ) 为物体 定点的触觉示意图，图2 2 ( b ) 近似为物体边的触觉示意图，图2 2 ( c ) 为物体面的触觉示意 图。 途忿