[发明专利]基于实际测量的纹理的力触觉表达方法

说明书

技术领域

本发明涉及纹理的力触觉表达方法，具体提出了一种基于真实测量的纹理力的表达方法。

背景技术

随着虚拟现实技术的不断发展，力触觉表达技术对于虚拟操作的重要性日益显著。纹理是物体表面的微观几何形状、粗糙度等特性的综合描述，对纹理的力触觉表达研究是非常必要的。纹理的力触觉表达是把物体表面的纹理信息通过力触觉再现设备反馈给操作者，可以使操作者真实地感知纹理的物理属性，从而使操作者获得强烈的沉浸感和真实感，这是纹理力触觉表达的最终目标。

目前，纹理的力触觉表达主要根据纹理表面的高度轮廓特征，建立与纹理表面相接触时的接触力计算模型，通过力触觉再现设备将纹理力再现给操作者，从而再现纹理的凹凸感。纹理的力触觉模型的建立方法通常有三种：(1)从图像中提取纹理表面特征轮廓特征，建立纹理力触觉表达模型；(2)基于几何约束和物理模型，建立纹理力触觉表达模型；(3)通过实际测量纹理表面凹凸轮廓，产生虚拟力触觉纹理力映射模型。

基于图像处理的力触觉纹理表达模型，这是目前纹理力触觉再现领域的热点。该模型需要从图像中提取纹理表面的特征，不仅对图像处理算法要求较高，对图像本身的精度要求也很高。但通常由于图像本身的质量不能保证，通过图像计算出来的纹理表面高度也不能真实地反映纹理信息。

基于几何约束建立的纹理力触觉表达模型实现了两个多边形模型之间力的相互作用。基于物理模型的力触觉纹理表达模型主要包括正弦模型、随机模型等。正弦模型将纹理接触力建模成随物体表面纹理的粗糙度变化而变化的正弦信号，物体表面越粗糙，周期性信号的幅值就越大，纹理越细密，则周期信号的频率越高。该方法在一定程度上能较好地反映出纹理的特性，但确定性模型能够表达的纹理种类有限，仅能使力感觉有明显的区分度，但缺乏真实感，不能模拟真实的纹理接触感。随机模型研究主要集中在随机的统计描述上，统计方法包括自相关、边缘密度、特征直方图和随机场等。不同的纹理产生的接触力具有不同的数字特征，通过改变数字特征的值，表面纹理的粗糙度可以被改变。但基于随机模型的力触觉表达仅能表达纹理的粗糙度，对纹理表面存在的真实的凹凸和走势不能再现。

用于测量表面纹理的传感器或仪器主要分为两种：一种是非接触式的，物体和测量仪器之间没有任何接触，通过光学技术获得表面形貌信息。如光探针干涉法，采用很细的聚焦光探针入射被测表面，物体表面的高度变化引起参考光和测量光光程差的变化，通过相位比较，可获得表面的轮廓。但是光学测量方法对被测表面的清洁度要求较高，灰尘对其测量结果影响较大。另一种是接触式的，探针与物体表面接触，测量纹理表面的轮廓数据，再将几何轮廓数据转换为纹理力。最广泛使用的接触式测量仪是触针式轮廓仪，它们一般采用金刚石探针扫描被测表面。Vasudevan等人提出用PHANToM手控器的探针对纹理表面轮廓进行探索，测量竖直方向探针的位移。通过将轮廓信息转换为纹理力之后，应用各种力触觉模型对纹理表达进行力触觉渲染。还有的方法是测量人手主动滑过纹理表面时的纹理力，这时需要剔除人手主观施加力对测量结果的影响。

发明内容

本发明提供一种能够提高纹理力表达真实性的基于实际测量的纹理的力触觉表达方法。

一种基于实际测量的纹理的力触觉表达方法，其特征在于：

操纵力触觉再现设备的操作柄趋近虚拟纹理表面，设与纹理表面发生碰撞之前的输出力为0，当与纹理表面发生碰撞后，产生法向纹理力法向束缚力及切向摩擦力最后，以法向纹理力法向束缚力及切向摩擦力的合力作为接触力并以此接触力作为输出力；

所述法向纹理力由以下方法生成：

步骤1选取真实的纹理材料；

步骤2将压力传感器安装在机械臂的底部；

步骤3带有压力传感器的机械臂在纹理材料表面匀速移动，机械臂施加恒力F_in，使压力传感器与纹理材料表面接触，并用采样装置获取采样的数据，数据的采样率为1000Hz，即时间分辨率Δt₀为0.001s，记录机械臂水平运动速度v_s和位移S，采样点数

步骤4将所测得的压力传感器的电压值进行数据处理，包括：

(1)数据预处理：