本文關(guān)鍵詞：基于雙向摩擦力控制的觸覺再現(xiàn)系統(tǒng)

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【摘要】：觸覺再現(xiàn)能夠表達虛擬物體的表面特征,提高虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的真實感,因而成為人機交互領(lǐng)域內(nèi)的研究重點。在現(xiàn)有的觸覺再現(xiàn)方法中,基于摩擦力控制的觸覺再現(xiàn)方法可以實現(xiàn)連續(xù)、精準(zhǔn)的摩擦力控制,因而成為更有前途的方法�？紤]到空氣壓膜效應(yīng)可以減小操作者手指和接觸面板之間的摩擦力,電致振動效應(yīng)可以通過靜電吸引力增大手指和接觸面板之間的摩擦力,電磁力可以產(chǎn)生排斥力和吸引力。本文通過將空氣壓膜效應(yīng)、電致振動效應(yīng)以及電磁力控制相融合,開展了摩擦力系數(shù)控制范圍更為寬泛的、基于雙向摩擦力控制的觸覺再現(xiàn)方法研究。本文首先闡述了空氣壓膜效應(yīng)、電致振動效應(yīng)以及電磁力控制的基本原理,利用有限元分析軟件研究了空氣壓膜效應(yīng)中面板尺寸與面板振動幅度的關(guān)系;研究電致振動效應(yīng)中電極陣列電壓幅值和絕緣層厚度對靜電吸引力的影響;分析了電磁力對觸覺再現(xiàn)系統(tǒng)的影響。為基于雙向摩擦力控制的觸覺再現(xiàn)系統(tǒng)奠定了理論基礎(chǔ)。本文設(shè)計實現(xiàn)了基于雙向摩擦力控制的觸覺再現(xiàn)系統(tǒng)方案。系統(tǒng)硬件部分主要由觸覺再現(xiàn)面板模塊、基于ARM Coretex-M4處理器TM4C1294的中央控制系統(tǒng)模塊、壓電陶瓷激勵信號生成模塊、電極陣列激勵信號生成模塊、電磁鐵激勵信號生成模塊、基于線性傳感器陣列TSL1410R的手指位置檢測模塊以及電源模塊等部分組成。其中,壓電陶瓷激勵信號生成模塊用于產(chǎn)生系統(tǒng)所需的空氣壓膜效應(yīng);電極陣列激勵信號生成模塊用于產(chǎn)生電致振動效應(yīng);電磁鐵激勵信號生成模塊用于產(chǎn)生電磁力控制信號。本文給出了基于TM4C1294處理器的系統(tǒng)硬件設(shè)計實現(xiàn)和系統(tǒng)軟件設(shè)計工作。為了驗證本文設(shè)計的觸覺再現(xiàn)方法,本文基于雙向摩擦力控制的觸覺再現(xiàn)系統(tǒng)原型,開展了一系列驗證試驗,包括閾值實驗和認(rèn)知實驗。其中,閾值實驗包括觸覺再現(xiàn)面板共振頻率研究實驗、基于雙向摩擦力控制的摩擦力系數(shù)感知閾值實驗、基于雙向摩擦力控制的電極陣列激勵信號電壓頻率感知閾值實驗、基于雙向摩擦力控制的摩擦力系數(shù)區(qū)分閾值實驗、電極陣列二維空間感知閾值實驗。認(rèn)知實驗包括簡單圖形認(rèn)知實驗和復(fù)雜圖形認(rèn)知實驗。實驗結(jié)果表明,本文提出的基于雙向摩擦力控制的觸覺再現(xiàn)相比傳統(tǒng)單一摩擦力控制的觸覺再現(xiàn)方法具有更寬泛的摩擦力系數(shù)控制,既能實現(xiàn)摩擦力系數(shù)減小,也能實現(xiàn)摩擦力系數(shù)增大,在復(fù)雜圖形認(rèn)識實驗中,相較于單一摩擦力控制的觸覺再現(xiàn)方法,感知成功率可達80%。本文基于雙向摩擦力控制的觸覺再現(xiàn)系統(tǒng)開展了人手指感知特性的研究對傳統(tǒng)基于摩擦力控制的觸覺再現(xiàn)方法進行了改進。
【關(guān)鍵詞】：空氣壓膜效應(yīng) 電致振動效應(yīng) 電磁力控制 雙向摩擦力控制 觸覺再現(xiàn)
【學(xué)位授予單位】：南京航空航天大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TH789
【目錄】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-13
• 第一章 緒論13-22
• 1.1 研究背景和意義13
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀13-20
• 1.2.1 觸覺與其他感官方法的比較13-14
• 1.2.2 人的觸覺感知特性研究14
• 1.2.3 基于非摩擦力控制的觸覺再現(xiàn)14-17
• 1.2.4 基于摩擦力控制的觸覺再現(xiàn)17-19
• 1.2.5 基于多原理融合的觸覺再現(xiàn)19-20
• 1.3 存在問題和發(fā)展趨勢20-21
• 1.4 本文研究內(nèi)容和章節(jié)安排21-22
• 第二章 基于雙向摩擦力控制的觸覺再現(xiàn)理論分析22-29
• 2.1 空氣壓膜效應(yīng)的理論分析22-24
• 2.1.1 空氣壓膜效應(yīng)形成原理22-23
• 2.1.2 不同面板厚度對觸覺再現(xiàn)面板振動影響的仿真分析23-24
• 2.2 電致振動效應(yīng)的理論分析24-27
• 2.2.1 電致振動效應(yīng)模型24-25
• 2.2.2 電致振動效應(yīng)中靜電吸引力的影響因素25-27
• 2.3 電磁力控制的理論分析27-28
• 2.4 本章小結(jié)28-29
• 第三章 基于雙向摩擦力控制的觸覺再現(xiàn)系統(tǒng)的硬件設(shè)計29-45
• 3.1 觸覺再現(xiàn)系統(tǒng)的硬件方案設(shè)計29-30
• 3.2 綜合觸覺再現(xiàn)面板模塊30-32
• 3.3 基于TM4C1294處理器的中央控制系統(tǒng)模塊32-34
• 3.4 壓電陶瓷激勵信號生成模塊34-37
• 3.4.1 壓電陶瓷初始激勵信號生成模塊34-37
• 3.4.2 壓電陶瓷激勵信號放大模塊37
• 3.5 電極陣列激勵信號生成模塊37-38
• 3.5.1 電極高壓模塊38
• 3.5.2 電極開關(guān)陣列模塊38
• 3.6 電磁鐵激勵信號生成模塊38-39
• 3.7 基于線性傳感器陣列的手指位置檢測模塊39-41
• 3.8 電源模塊41-44
• 3.8.1 5V電源產(chǎn)生電路41-42
• 3.8.2 2.5V和 3.3V電源產(chǎn)生電路42
• 3.8.3 ±12V和±36V電源產(chǎn)生電路42-44
• 3.9 本章小結(jié)44-45
• 第四章 基于雙向摩擦力控制的觸覺再現(xiàn)系統(tǒng)軟件設(shè)計45-54
• 4.1 系統(tǒng)整體軟件設(shè)計45-46
• 4.2 壓電陶瓷激勵信號生成模塊軟件設(shè)計46-47
• 4.3 電極陣列激勵信號生成模塊軟件設(shè)計47-48
• 4.4 電磁鐵激勵信號生成模塊軟件設(shè)計48-49
• 4.5 手指位置檢測模塊軟件設(shè)計49-52
• 4.6 本章小結(jié)52-54
• 第五章 觸覺再現(xiàn)實驗和數(shù)據(jù)分析54-71
• 5.1 仿真實驗設(shè)計和系統(tǒng)環(huán)境54-56
• 5.2 觸覺再現(xiàn)面板共振頻率研究實驗56-57
• 5.3 基于雙向摩擦力控制的摩擦力系數(shù)感知閾值實驗57-59
• 5.3.1 電致振動效應(yīng)下摩擦力系數(shù)感知閾值實驗（摩擦力增大）57-58
• 5.3.2 空氣壓膜效應(yīng)下摩擦力系數(shù)感知閾值實驗（摩擦力減�。�58-59
• 5.4 基于雙向摩擦力控制的電極陣列激勵信號電壓頻率感知閾值實驗59-61
• 5.5 基于雙向摩擦力控制的摩擦力系數(shù)區(qū)分閾值實驗61-63
• 5.5.1 電致振動效應(yīng)中摩擦力系數(shù)區(qū)分閾值實驗（摩擦力增大）61-62
• 5.5.2 空氣壓膜效應(yīng)中摩擦力系數(shù)區(qū)分閾值實驗（摩擦力減�。�62-63
• 5.6 電極陣列二維空間感知閾值實驗63-64
• 5.7 基于雙向摩擦力控制的摩擦力系數(shù)感知等級實驗64-66
• 5.7.1 電致振動效應(yīng)下的摩擦力系數(shù)感知等級實驗（摩擦力增大）65
• 5.7.2 空氣壓膜效應(yīng)下的摩擦力系數(shù)感知實驗（摩擦力減�。�65-66
• 5.8 簡單圖形認(rèn)知實驗66-68
• 5.9 復(fù)雜圖形認(rèn)知實驗68-69
• 5.10 本章小結(jié)69-71
• 第六章 總結(jié)與展望71-73
• 6.1 工作總結(jié)71-72
• 6.2 未來研究方向72-73
• 參考文獻73-77
• 致謝77-78
• 在學(xué)期間的研究成果及發(fā)表的學(xué)術(shù)論文78-79
• 附錄79-96
• 附錄 1:基于有限元的空氣壓膜效應(yīng)(面板振動幅度)建模和分析程序(ANSYS 10.0 環(huán)境下APDL語言)79-83
• 附錄 2:基于有限元的電致振動效應(yīng)(手指—電極板)建模和分析程序(ANSYS 10.0 環(huán)境下APDL語言)83-85
• 附錄 3:基于雙向摩擦力控制的觸覺再現(xiàn)系統(tǒng)原理圖85-89
• 附錄 4:基于雙向摩擦力控制的觸覺再現(xiàn)系統(tǒng)PCB圖89-90
• 附錄 5:基于TSL1410R的手指位置檢測程序90-93
• 附錄 6:數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊AD5684 控制程序93-95
• 附錄 7:開關(guān)陣列HV507 控制程序95-96

【參考文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前3條

1 馬露;陸熊;;基于摩擦力控制的觸覺再現(xiàn)系統(tǒng)研究[J];計算機技術(shù)與發(fā)展;2015年01期

2 陳思凡;陸熊;;基于電致振動效應(yīng)的觸覺再現(xiàn)系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J];計算機與現(xiàn)代化;2014年04期

3 陳旭;宋愛國;李建清;;一種新的虛擬紋理觸覺再現(xiàn)方法及其裝置實現(xiàn)[J];測控技術(shù);2006年08期

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本文編號：987516