專利名稱：基于實(shí)際測(cè)量的紋理的力觸覺表達(dá)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及紋理的力觸覺表達(dá)方法，具體提出了一種基于真實(shí)測(cè)量的紋理力的表 達(dá)方法。
背景技術(shù)：
隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的不斷發(fā)展，力觸覺表達(dá)技術(shù)對(duì)于虛擬操作的重要性日益顯 著。紋理是物體表面的微觀幾何形狀、粗糙度等特性的綜合描述，對(duì)紋理的力觸覺表達(dá)研究 是非常必要的。紋理的力觸覺表達(dá)是把物體表面的紋理信息通過(guò)力觸覺再現(xiàn)設(shè)備反饋給操 作者，可以使操作者真實(shí)地感知紋理的物理屬性，從而使操作者獲得強(qiáng)烈的沉浸感和真實(shí) 感，這是紋理力觸覺表達(dá)的最終目標(biāo)。目前，紋理的力觸覺表達(dá)主要根據(jù)紋理表面的高度輪廓特征，建立與紋理表面相 接觸時(shí)的接觸力計(jì)算模型，通過(guò)力觸覺再現(xiàn)設(shè)備將紋理力再現(xiàn)給操作者，從而再現(xiàn)紋理的 凹凸感。紋理的力觸覺模型的建立方法通常有三種(1)從圖像中提取紋理表面特征輪 廓特征，建立紋理力觸覺表達(dá)模型；( 基于幾何約束和物理模型，建立紋理力觸覺表達(dá)模 型；C3)通過(guò)實(shí)際測(cè)量紋理表面凹凸輪廓，產(chǎn)生虛擬力觸覺紋理力映射模型?；趫D像處理的力觸覺紋理表達(dá)模型，這是目前紋理力觸覺再現(xiàn)領(lǐng)域的熱點(diǎn)。該 模型需要從圖像中提取紋理表面的特征，不僅對(duì)圖像處理算法要求較高，對(duì)圖像本身的精 度要求也很高。但通常由于圖像本身的質(zhì)量不能保證，通過(guò)圖像計(jì)算出來(lái)的紋理表面高度 也不能真實(shí)地反映紋理信息?；趲缀渭s束建立的紋理力觸覺表達(dá)模型實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)多邊形模型之間力的相互 作用?；谖锢砟Ｐ偷牧τ|覺紋理表達(dá)模型主要包括正弦模型、隨機(jī)模型等。正弦模型將紋 理接觸力建模成隨物體表面紋理的粗糙度變化而變化的正弦信號(hào)，物體表面越粗糙，周期 性信號(hào)的幅值就越大，紋理越細(xì)密，則周期信號(hào)的頻率越高。該方法在一定程度上能較好地 反映出紋理的特性，但確定性模型能夠表達(dá)的紋理種類有限，僅能使力感覺有明顯的區(qū)分 度，但缺乏真實(shí)感，不能模擬真實(shí)的紋理接觸感。隨機(jī)模型研究主要集中在隨機(jī)的統(tǒng)計(jì)描述 上，統(tǒng)計(jì)方法包括自相關(guān)、邊緣密度、特征直方圖和隨機(jī)場(chǎng)等。不同的紋理產(chǎn)生的接觸力具 有不同的數(shù)字特征，通過(guò)改變數(shù)字特征的值，表面紋理的粗糙度可以被改變。但基于隨機(jī)模 型的力觸覺表達(dá)僅能表達(dá)紋理的粗糙度，對(duì)紋理表面存在的真實(shí)的凹凸和走勢(shì)不能再現(xiàn)。用于測(cè)量表面紋理的傳感器或儀器主要分為兩種一種是非接觸式的，物體和測(cè) 量?jī)x器之間沒有任何接觸，通過(guò)光學(xué)技術(shù)獲得表面形貌信息。如光探針干涉法，采用很細(xì)的 聚焦光探針入射被測(cè)表面，物體表面的高度變化引起參考光和測(cè)量光光程差的變化，通過(guò) 相位比較，可獲得表面的輪廓。但是光學(xué)測(cè)量方法對(duì)被測(cè)表面的清潔度要求較高，灰塵對(duì)其 測(cè)量結(jié)果影響較大。另一種是接觸式的，探針與物體表面接觸，測(cè)量紋理表面的輪廓數(shù)據(jù)， 再將幾何輪廓數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為紋理力。最廣泛使用的接觸式測(cè)量?jī)x是觸針式輪廓儀，它們一般 采用金剛石探針掃描被測(cè)表面。Vasudevan等人提出用PHANToM手控器的探針對(duì)紋理表面 輪廓進(jìn)行探索，測(cè)量豎直方向探針的位移。通過(guò)將輪廓信息轉(zhuǎn)換為紋理力之后，應(yīng)用各種力觸覺模型對(duì)紋理表達(dá)進(jìn)行力觸覺渲染。還有的方法是測(cè)量人手主動(dòng)滑過(guò)紋理表面時(shí)的紋理 力，這時(shí)需要剔除人手主觀施加力對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種能夠提高紋理力表達(dá)真實(shí)性的基于實(shí)際測(cè)量的紋理的力觸覺表 達(dá)方法。一種基于實(shí)際測(cè)量的紋理的力觸覺表達(dá)方法，其特征在于操縱力觸覺再現(xiàn)設(shè)備的操作柄趨近虛擬紋理表面，設(shè)與紋理表面發(fā)生碰撞之前的 輸出力為0，當(dāng)與紋理表面發(fā)生碰撞后，產(chǎn)生法向紋理力
權(quán)利要求
1. 一種基于實(shí)際測(cè)量的紋理的力觸覺表達(dá)方法，其特征在于 操縱力觸覺再現(xiàn)設(shè)備的操作柄趨近虛擬紋理表面，設(shè)與紋理表面發(fā)生碰撞之前的輸出力為0，當(dāng)與紋理表面發(fā)生碰撞后，產(chǎn)生法向紋理力f:xture、法向束縛力/_l nt及切向摩擦 力里力、^^胃會(huì)専力人！^聲^^^胃帛力/^^勺☆力1 角蟲力并以t接角蟲力乍為輸出力； 所述法向紋理力_/；二_由以下方法生成 步驟1選取真實(shí)的紋理材料； 步驟2將壓力傳感器安裝在機(jī)械臂的底部；步驟3帶有壓力傳感器的機(jī)械臂在紋理材料表面勻速移動(dòng)，機(jī)械臂施加恒力Fin，使壓 力傳感器與紋理材料表面接觸，并用采樣裝置獲取采樣的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的采樣率為1000Hz，即時(shí)間分辨率Δ t(l為0. 001s，記錄機(jī)械臂水平運(yùn)動(dòng)速度Vs和位移S，采樣點(diǎn)數(shù)
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于實(shí)際測(cè)量的紋理的力觸覺表達(dá)方法，其特征是當(dāng)力觸覺再現(xiàn)設(shè)備的操作柄與虛擬紋理表面發(fā)生碰撞后，以法向紋理力、法向束縛力及切向摩擦力的合力作為接觸力輸出給操作者。法向紋理力由測(cè)量真實(shí)劃過(guò)紋理表面的壓力獲得，用施力恒定且底部帶有壓力傳感器的機(jī)械臂在紋理材料表面勻速劃過(guò)，同時(shí)采集數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)修正錯(cuò)誤項(xiàng)、平滑、電壓壓力值轉(zhuǎn)換、減去機(jī)械臂恒力值后轉(zhuǎn)換為法向紋理力；法向束縛力建模為彈簧阻尼模型；切向摩擦力建模綜合了靜摩擦力和滑動(dòng)摩擦力兩個(gè)階段，靜摩擦階段建模為最大靜摩擦力和正弦函數(shù)的乘積，動(dòng)摩擦階段動(dòng)摩擦系數(shù)由反映紋理凹凸程度的法向紋理力計(jì)算得到，提高了紋理表達(dá)的真實(shí)感。
文檔編號(hào)G06F19/00GK102054122SQ20101052089
公開日2011年5月11日 申請(qǐng)日期2010年10月27日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月27日
發(fā)明者吳涓, 宋愛國(guó), 張小瑞, 李蒞圓, 程盈盈, 裴誠(chéng)誠(chéng) 申請(qǐng)人:東南大學(xué)