觸力覺人機交互導論

本書總體目標是介紹觸力覺人機交互的現狀、發展趨勢和重要應用，為讀者在機器人、虛擬現實、生物工程、認知科學等領域開展跨學科研究和技術開發打下基礎。全書共8章，主要內容包括觸力覺人機交互概述、人體觸力覺感知和運動控制的生理基礎、桌面式力覺交互設備、力覺合成方法、桌面式力覺交互系統、振動觸覺交互、紋理觸覺交互、觸力覺人機交互前沿等。通過本書的學習，讀者可以瞭解觸力覺感知的生理基礎知識，學習如何研製和使用觸力覺交互設備、如何設計實現觸力覺合成算法、如何開發觸力覺人機交互模擬系統。

本書既可作為機械工程、電腦科學與技術、電子信息工程、自動化、虛擬現實技術、機器人工程、生物醫學工程等專業研究生和高年級本科生的教材，也可作為相關行業科研人員的參考書。

王党校：男，1976年生，北航教授，2004年获北航博士学位。IEEE触觉技术委员会(IEEE Technical Committee on Haptics) 执行委员会主席，IEEE Transactions on Haptics编委（Associate Editor），国际期刊Digital Medicine编委（Associate Editor）。触觉领域权威会议IEEE World Haptics Conference编辑。作为指导委员会成员发起成立了亚洲触觉会议 AsiaHaptics Conference。IEEE高级会员，中国计算机学会人机交互专业委员会常委，北京市科技新星。

主要研究领域为触觉人机交互，聚集于理解和揭示触觉感知和反馈的生物机理，人与机器（计算机、机器人）通过触觉通道自然交互的新途径。发表第一作者和通讯作者IEEE Trans论文17篇，SCI论文他引100余次。获国家发明专利授权12项，出版Springer英文专著1部。2013年获教育部技术发明一等奖。获机器人领域顶级会议 IEEE ICRA最佳论文提名奖。

目 錄

第 1章 觸力覺人機交互概述 1

1.1 觸力覺人機交互的研究背景 1

1.1.1 人與物理環境的觸力覺交互 1

1.1.2 人與電腦的觸力覺交互 3

1.1.3 人與機器人的觸力覺交互 5

1.2 觸力覺人機交互的基本概念 6

1.3 觸力覺人機交互的研究分支和挑戰 8

1.4 觸力覺人機交互的發展歷史 10

1.4.1 桌面式觸力覺人機交互 11

1.4.2 觸屏式觸力覺人機交互 12

1.4.3 穿戴式觸力覺人機交互 13

1.5 觸力覺人機交互的研究意義 15

小結 16

思考題目 16

參考文獻 16

第 2章 人體觸力覺感知和運動控制的生理基礎 18

2.1 觸覺感知機理 19

2.1.1 皮膚內部觸覺感受器 19

2.1.2 觸覺感受器特性和觸覺信息的傳遞 21

2.1.3 人體皮膚的觸覺感知能力 24

2.2 力覺感知機理 25

2.2.1 力覺感受器 25

2.2.2 本體感覺與平衡覺感受器 27

2.2.3 人體力與運動的感知能力 28

2.3 觸力覺信息的傳導通路 30

2.3.1 觸力覺信息的上下行神經通路 30

2.3.2 跨通道感知的特性 32

2.4 觸力覺信息的加工處理 35

2.4.1 大腦皮層的觸覺區域 35

2.4.2 腦網絡與腦神經可塑性 36

2.4.3 “觸覺錯覺”現象 39

2.5 人體運動控制和力控制 41

2.5.1 人體運動控制執行器 41

2.5.2 低級神經中樞對軀體運動的支配 44

2.5.3 高級神經中樞對軀體運動的支配 45

2.6 觸覺心理物理學實驗 47

2.6.1 心理物理學的相關概念 47

2.6.2 心理物理學的測量方法 51

2.6.3 統計分析的基本數理工具 54

小結 56

思考題目 57

參考文獻 57

第3章 桌面式力覺交互設備 60

3.1 桌面式力覺交互設備的總體介紹 60

3.1.1 桌面式力覺交互設備的組成與工作原理 60

3.1.2 桌面式力覺交互設備的功能和性能指標 61

3.1.3 桌面式力覺交互設備的設計流程 62

3.2 力覺交互設備的分類 63

3.2.1 串聯形式的力覺交互設備 63

3.2.2 並聯形式的力覺交互設備 65

3.2.1 串並混聯結構形式的力覺交互設備 67

3.3 桌面式力覺交互設備的機械系統設計 69

3.3.1 構型設計 69

3.3.2 運動學分析 70

3.3.3 靜力學和動力學分析 72

3.3.4 傳感器選型 73

3.3.5 驅動器選型 75

3.3.6 傳動和結構設計 76

3.4 桌面式力覺交互設備的控制系統設計 77

3.4.1 一個引例：一維轉動力反饋游戲操作手柄 77

3.4.2 阻抗控制的原理和流程 78

3.4.3 導納控制的原理和流程 79

3.4.4 控制系統硬件 80

3.4.5 力覺交互設備穩定性 82

3.5 桌面式力覺交互設備實例 85

3.5.1 單自由度桌面式力覺交互設備 85

3.5.2 三自由度桌面式力覺交互設備iFeel 3.0 87

3.5.3 六自由度桌面式力覺交互設備 90

3.5.4 六自由度大空間力覺交互設備iFeel BH1500 94

小結 95

思考題目 96

參考文獻 96

第4章 力覺合成方法 100

4.1 力覺合成簡介 100

4.1.1 力覺合成的基本概念 100

4.1.2 力覺合成的性能指標 101

4.1.3 力覺合成的發展簡史 102

4.2 力覺合成的計算框架 103

4.2.1 阻抗式力覺交互設備的有限阻抗約束特性 103

4.2.2 力覺合成的計算框架 105

4.3 虛擬環境建模 108

4.3.1 力覺交互場景建模的特點 109

4.3.2 網格模型 110

4.3.3 體素模型 111

4.3.4 球樹模型 112

4.3.5 其他模型 114

4.4 實時碰撞檢測方法 114

4.4.1 力覺合成中碰撞檢測的特殊性 114

4.4.2 碰撞檢測算法分類 115

4.4.3 基於多分辨率模型的碰撞檢測算法 116

4.4.4 連續碰撞檢測算法 117

4.4.5 常用開發包 117

4.5 交互工具的碰撞響應 118

4.5.1 碰撞響應算法分類 118

4.5.2 基於懲罰的方法 119

4.5.3 基於約束的方法 120

4.5.4 基於沖擊的方法 121

4.6 交互力計算模型 121

4.6.1 彈簧力計算模型 122

4.6.2 摩擦力計算模型 123

4.6.3 細節特徵計算模型 124

4.7 交互對象動力學響應 126

4.7.1 交互對象幾何物理耦合模型 126

4.7.2 變形體模擬模擬 129

4.7.3 拓撲變化的力覺模擬模擬 130

4.8 力覺合成研究的前沿問題 131

4.8.1 大規模場景力覺交互 131

4.8.2 生物組織復雜交互行為模擬 132

4.8.3 從力覺合成到力觸覺融合生成 132

4.8.4 開發標準庫建設 134

4.8.5 新型交互應用開發 135

4.9 力覺合成方法實例 136

4.9.1 虛擬牆力覺合成實例 136

4.9.2 虛擬球力覺合成實例 137

小結 138

思考題目 138

參考文獻 138

第5章 桌面式力覺交互系統 143

5.1 桌面式力覺交互典型應用領域 143

5.1.1 醫療手術模擬 143

5.1.2 機器人主從操作 145

5.1.3 虛擬樣機產品設計和裝配設計 147

5.1.4 肢體康復 149

5.1.5 科學數據可視化 152

5.1.6 娛樂游戲 152

5.2 口腔手術模擬系統 154

5.2.1 口腔手術模擬系統的需求分析 154

5.2.2 口腔手術模擬系統的組成 155

5.2.3 口腔手術模擬系統的設計與實現 156

5.3 飛機發動機虛擬裝配系統 159

5.3.1 飛機發動機虛擬裝配系統的需求分析 159

5.3.2 飛機發動機虛擬裝配系統的組成 160

5.3.4 飛機發動機虛擬裝配系統的設計與實現 162

小結 166

思考題目 166

參考文獻 167

第6章 振動觸覺交互 169

6.1 振動觸覺感知機制 169

6.1.1 人體振動觸覺感知的生理機理 169

6.1.2 振動觸覺感知閾限 171

6.1.3 觸覺幻覺效應 175

6.2 振動觸覺交互的硬件裝置 175

6.2.1 線性電磁類執行器 177

6.2.2 旋轉電磁類執行器 177

6.2.3 非電磁類執行器 178

6.3 振動觸覺交互設備的分類 178

6.4 振動觸覺的應用領域 179

6.4.1 物理信息傳遞 179

6.4.2 抽象信息傳遞 180

6.4.3 多媒體 181

小結 182

思考題目 183

參考文獻 183

第7章 紋理觸覺交互 188

7.1 紋理觸覺的定義 188

7.2 紋理觸覺的感知維度 189

7.3 紋理觸覺的模擬方法 190

7.3.1 基於機械振動的紋理觸覺模擬方法 191

7.3.2 基於調節錶面摩擦力的紋理觸覺模擬方法 192

7.3.3 基於改變錶面形貌的紋理觸覺模擬方法 198

7.3.4 基於電刺激的紋理觸覺模擬方法 202

小結 204

思考題目 204

參考文獻 204

第8章 觸力覺人機交互前沿 210

8.1 穿戴式力覺交互 210

8.1.1 穿戴式力覺交互設備 210

8.1.2 虛擬手力覺合成方法 216

8.2 多元觸覺交互 222

8.2.1 多元觸覺感知的生理學特性 222

8.2.2 多元觸覺交互設備的定義和量化指標 224

8.2.3 多元觸覺交互設備的分類 226

8.2.4 多元觸覺信息融合交互的研究進展 227

8.2.5 多元觸覺交互設備的技術發展趨勢 231

小結 232

參考文獻 232

附錄 239

附錄A 研究課題庫 239

A.1 桌面式力覺交互設備設計課題 239

A.2 力覺合成方法開發課題 241

A.3 人體觸覺心理物理學測量課題 242

A.4 力覺交互應用設計課題 242

附錄B 視頻素材 242