專利名稱：基于實際測量的紋理的力觸覺表達方法
技術領域：
本發(fā)明涉及紋理的力觸覺表達方法，具體提出了一種基于真實測量的紋理力的表 達方法。
背景技術：
隨著虛擬現(xiàn)實技術的不斷發(fā)展，力觸覺表達技術對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，對紋理的力觸覺表達研究 是非常必要的。紋理的力觸覺表達是把物體表面的紋理信息通過力觸覺再現(xiàn)設備反饋給操 作者，可以使操作者真實地感知紋理的物理屬性，從而使操作者獲得強烈的沉浸感和真實 感，這是紋理力觸覺表達的最終目標。目前，紋理的力觸覺表達主要根據(jù)紋理表面的高度輪廓特征，建立與紋理表面相 接觸時的接觸力計算模型，通過力觸覺再現(xiàn)設備將紋理力再現(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模型；( 基于幾何約束和物理模型，建立紋理力觸覺表達模 型；C3)通過實際測量紋理表面凹凸輪廓，產(chǎn)生虛擬力觸覺紋理力映射模型。基于圖像處理的力觸覺紋理表達模型，這是目前紋理力觸覺再現(xiàn)領域的熱點。該 模型需要從圖像中提取紋理表面的特征，不僅對圖像處理算法要求較高，對圖像本身的精 度要求也很高。但通常由于圖像本身的質量不能保證，通過圖像計算出來的紋理表面高度 也不能真實地反映紋理信息?；趲缀渭s束建立的紋理力觸覺表達模型實現(xiàn)了兩個多邊形模型之間力的相互 作用。基于物理模型的力觸覺紋理表達模型主要包括正弦模型、隨機模型等。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，物體表面越粗糙，周期 性信號的幅值就越大，紋理越細密，則周期信號的頻率越高。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，但缺乏真實感，不能模擬真實的紋理接觸感。隨機模型研究主要集中在隨機的統(tǒng)計描述 上，統(tǒng)計方法包括自相關、邊緣密度、特征直方圖和隨機場等。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。但基于隨機模 型的力觸覺表達僅能表達紋理的粗糙度，對紋理表面存在的真實的凹凸和走勢不能再現(xiàn)。用于測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 量儀器之間沒有任何接觸，通過光學技術獲得表面形貌信息。如光探針干涉法，采用很細的 聚焦光探針入射被測表面，物體表面的高度變化引起參考光和測量光光程差的變化，通過 相位比較，可獲得表面的輪廓。但是光學測量方法對被測表面的清潔度要求較高，灰塵對其 測量結果影響較大。另一種是接觸式的，探針與物體表面接觸，測量紋理表面的輪廓數(shù)據(jù)， 再將幾何輪廓數(shù)據(jù)轉換為紋理力。最廣泛使用的接觸式測量儀是觸針式輪廓儀，它們一般 采用金剛石探針掃描被測表面。Vasudevan等人提出用PHANToM手控器的探針對紋理表面 輪廓進行探索，測量豎直方向探針的位移。通過將輪廓信息轉換為紋理力之后，應用各種力觸覺模型對紋理表達進行力觸覺渲染。還有的方法是測量人手主動滑過紋理表面時的紋理 力，這時需要剔除人手主觀施加力對測量結果的影響。

發(fā)明內容
本發(fā)明提供一種能夠提高紋理力表達真實性的基于實際測量的紋理的力觸覺表 達方法。一種基于實際測量的紋理的力觸覺表達方法，其特征在于操縱力觸覺再現(xiàn)設備的操作柄趨近虛擬紋理表面，設與紋理表面發(fā)生碰撞之前的 輸出力為0，當與紋理表面發(fā)生碰撞后，產(chǎn)生法向紋理力
權利要求
1. 一種基于實際測量的紋理的力觸覺表達方法，其特征在于 操縱力觸覺再現(xiàn)設備的操作柄趨近虛擬紋理表面，設與紋理表面發(fā)生碰撞之前的輸出力為0，當與紋理表面發(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選取真實的紋理材料； 步驟2將壓力傳感器安裝在機械臂的底部；步驟3帶有壓力傳感器的機械臂在紋理材料表面勻速移動，機械臂施加恒力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，即時間分辨率Δ t(l為0. 001s，記錄機械臂水平運動速度Vs和位移S，采樣點數(shù)
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于實際測量的紋理的力觸覺表達方法，其特征是當力觸覺再現(xiàn)設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。法向紋理力由測量真實劃過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械臂在紋理材料表面勻速劃過，同時采集數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)經(jīng)過修正錯誤項、平滑、電壓壓力值轉換、減去機械臂恒力值后轉換為法向紋理力；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摩擦力兩個階段，靜摩擦階段建模為最大靜摩擦力和正弦函數(shù)的乘積，動摩擦階段動摩擦系數(shù)由反映紋理凹凸程度的法向紋理力計算得到，提高了紋理表達的真實感。
文檔編號G06F19/00GK102054122SQ20101052089
公開日2011年5月11日 申請日期2010年10月27日 優(yōu)先權日2010年10月27日
發(fā)明者吳涓, 宋愛國, 張小瑞, 李蒞圓, 程盈盈, 裴誠誠 申請人:東南大學