触力觉人机交互导论

目 录
第 1章 触力觉人机交互概述 1
1．1 触力觉人机交互的研究背景 1
1．1．1 人与物理环境的触力觉交互 1
1．1．2 人与计算机的触力觉交互 3
1．1．3 人与机器人的触力觉交互 5
1．2 触力觉人机交互的基本概念 6
1．3 触力觉人机交互的研究分支和挑战 8
1．4 触力觉人机交互的发展历史 10
1．4．1 桌面式触力觉人机交互 11
1．4．2 触屏式触力觉人机交互 12
1．4．3 穿戴式触力觉人机交互 13
1．5 触力觉人机交互的研究意义 15
小结 16
思考题目 16
参考文献 16
第 2章 人体触力觉感知和运动控制的生理基础 18
2．1 触觉感知机理 19
2．1．1 皮肤内部触觉感受器 19
2．1．2 触觉感受器特性和触觉信息的传递 21
2．1．3 人体皮肤的触觉感知能力 24
2．2 力觉感知机理 25
2．2．1 力觉感受器 25
2．2．2 本体感觉与平衡觉感受器 27
2．2．3 人体力与运动的感知能力 28
2．3 触力觉信息的传导通路 30
2．3．1 触力觉信息的上下行神经通路 30
2．3．2 跨通道感知的特性 32
2．4 触力觉信息的加工处理 35
2．4．1 大脑皮层的触觉区域 35
2．4．2 脑网络与脑神经可塑性 36
2．4．3 “触觉错觉”现象 39
2．5 人体运动控制和力控制 41
2．5．1 人体运动控制执行器 41
2．5．2 低级神经中枢对躯体运动的支配 44
2．5．3 高级神经中枢对躯体运动的支配 45
2．6 触觉心理物理学实验 47
2．6．1 心理物理学的相关概念 47
2．6．2 心理物理学的测量方法 51
2．6．3 统计分析的基本数理工具 54
小结 56
思考题目 57
参考文献 57
第3章 桌面式力觉交互设备 60
3．1 桌面式力觉交互设备的总体介绍 60
3．1．1 桌面式力觉交互设备的组成与工作原理 60
3．1．2 桌面式力觉交互设备的功能和性能指标 61
3．1．3 桌面式力觉交互设备的设计流程 62
3．2 力觉交互设备的分类 63
3．2．1 串联形式的力觉交互设备 63
3．2．2 并联形式的力觉交互设备 65
3．2．1 串并混联结构形式的力觉交互设备 67
3．3 桌面式力觉交互设备的机械系统设计 69
3．3．1 构型设计 69
3．3．2 运动学分析 70
3．3．3 静力学和动力学分析 72
3．3．4 传感器选型 73
3．3．5 驱动器选型 75
3．3．6 传动和结构设计 76
3．4 桌面式力觉交互设备的控制系统设计 77
3．4．1 一个引例：一维转动力反馈游戏操作手柄 77
3．4．2 阻抗控制的原理和流程 78
3．4．3 导纳控制的原理和流程 79
3．4．4 控制系统硬件 80
3．4．5 力觉交互设备稳定性 82
3．5 桌面式力觉交互设备实例 85
3．5．1 单自由度桌面式力觉交互设备 85
3．5．2 三自由度桌面式力觉交互设备iFeel 3．0 87
3．5．3 六自由度桌面式力觉交互设备 90
3．5．4 六自由度大空间力觉交互设备iFeel BH1500 94
小结 95
思考题目 96
参考文献 96
第4章 力觉合成方法 100
4．1 力觉合成简介 100
4．1．1 力觉合成的基本概念 100
4．1．2 力觉合成的性能指标 101
4．1．3 力觉合成的发展简史 102
4．2 力觉合成的计算框架 103
4．2．1 阻抗式力觉交互设备的有限阻抗约束特性 103
4．2．2 力觉合成的计算框架 105
4．3 虚拟环境建模 108
4．3．1 力觉交互场景建模的特点 109
4．3．2 网格模型 110
4．3．3 体素模型 111
4．3．4 球树模型 112
4．3．5 其他模型 114
4．4 实时碰撞检测方法 114
4．4．1 力觉合成中碰撞检测的特殊性 114
4．4．2 碰撞检测算法分类 115
4．4．3 基于多分辨率模型的碰撞检测算法 116
4．4．4 连续碰撞检测算法 117
4．4．5 常用开发包 117
4．5 交互工具的碰撞响应 118
4．5．1 碰撞响应算法分类 118
4．5．2 基于惩罚的方法 119
4．5．3 基于约束的方法 120
4．5．4 基于冲击的方法 121
4．6 交互力计算模型 121
4．6．1 弹簧力计算模型 122
4．6．2 摩擦力计算模型 123
4．6．3 细节特征计算模型 124
4．7 交互对象动力学响应 126
4．7．1 交互对象几何物理耦合模型 126
4．7．2 变形体模拟仿真 129
4．7．3 拓扑变化的力觉模拟仿真 130
4．8 力觉合成研究的前沿问题 131
4．8．1 大规模场景力觉交互 131
4．8．2 生物组织复杂交互行为模拟 132
4．8．3 从力觉合成到力触觉融合生成 132
4．8．4 开发标准库建设 134
4．8．5 新型交互应用开发 135
4．9 力觉合成方法实例 136
4．9．1 虚拟墙力觉合成实例 136
4．9．2 虚拟球力觉合成实例 137
小结 138
思考题目 138
参考文献 138
第5章 桌面式力觉交互系统 143
5．1 桌面式力觉交互典型应用领域 143
5．1．1 医疗手术模拟 143
5．1．2 机器人主从操作 145
5．1．3 虚拟样机产品设计和装配设计 147
5．1．4 肢体康复 149
5．1．5 科学数据可视化 152
5．1．6 娱乐游戏 152
5．2 口腔手术模拟系统 154
5．2．1 口腔手术模拟系统的需求分析 154
5．2．2 口腔手术模拟系统的组成 155
5．2．3 口腔手术模拟系统的设计与实现 156
5．3 飞机发动机虚拟装配系统 159
5．3．1 飞机发动机虚拟装配系统的需求分析 159
5．3．2 飞机发动机虚拟装配系统的组成 160
5．3．4 飞机发动机虚拟装配系统的设计与实现 162
小结 166
思考题目 166
参考文献 167
第6章 振动触觉交互 169
6．1 振动触觉感知机制 169
6．1．1 人体振动触觉感知的生理机理 169
6．1．2 振动触觉感知阈限 171
6．1．3 触觉幻觉效应 175
6．2 振动触觉交互的硬件装置 175
6．2．1 线性电磁类执行器 177
6．2．2 旋转电磁类执行器 177
6．2．3 非电磁类执行器 178
6．3 振动触觉交互设备的分类 178
6．4 振动触觉的应用领域 179
6．4．1 物理信息传递 179
6．4．2 抽象信息传递 180
6．4．3 多媒体 181
小结 182
思考题目 183
参考文献 183
第7章 纹理触觉交互 188
7．1 纹理触觉的定义 188
7．2 纹理触觉的感知维度 189
7．3 纹理触觉的仿真方法 190
7．3．1 基于机械振动的纹理触觉仿真方法 191
7．3．2 基于调节表面摩擦力的纹理触觉仿真方法 192
7．3．3 基于改变表面形貌的纹理触觉仿真方法 198
7．3．4 基于电刺激的纹理触觉仿真方法 202
小结 204
思考题目 204
参考文献 204
第8章 触力觉人机交互前沿 210
8．1 穿戴式力觉交互 210
8．1．1 穿戴式力觉交互设备 210
8．1．2 虚拟手力觉合成方法 216
8．2 多元触觉交互 222
8．2．1 多元触觉感知的生理学特性 222
8．2．2 多元触觉交互设备的定义和量化指标 224
8．2．3 多元触觉交互设备的分类 226
8．2．4 多元触觉信息融合交互的研究进展 227
8．2．5 多元触觉交互设备的技术发展趋势 231
小结 232
参考文献 232
附录 239
附录A 研究课题库 239
A．1 桌面式力觉交互设备设计课题 239
A．2 力觉合成方法开发课题 241
A．3 人体触觉心理物理学测量课题 242
A．4 力觉交互应用设计课题 242
附录B 视频素材 242