一种力触觉再现中的纹理力测量方法

摘要

本发明公开了一种力触觉再现中的纹理力测量方法，考虑了客观纹理表面因素和人手探索过程中的移动速度与主动按压力，将纹理力分解为垂直方向作用力及水平方向作用力。其中，垂直方向作用力分为客观因素作用力及主观因素作用力，客观因素作用力由实测的纹理表面微观轮廓高度以及表面刚度特性决定。鉴于接触过程中的法向加速度的变化能反映人手移动过程中速度和压力的变化情况，主观因素作用力是法向加速度的函数，仿真时的法向加速度是实测加速度在不同压力和速度下的线性插值函数。水平方向纹理力可为探针划过纹理表面的摩擦阻力，由垂直方向按压力与纹理材料动摩擦系数决定。

主权项

1.一种力触觉再现中的纹理力测量方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：在虚拟纹理力模型中，利用力触觉再现设备的操作柄控制模型中的虚拟探针在虚拟物体表面划过，同时检测虚拟探针与虚拟物体是否发生接触，以及是否有相对运动，若虚拟探针与虚拟物体发生接触或者无相对运动，则虚拟纹理力输出为0，反之，则按照下式计算虚拟纹理力并输出：${\overrightarrow{F}}_{\mathrm{con}}={\overrightarrow{F}}_{\mathrm{ver}}+{\overrightarrow{F}}_{\mathrm{hor}};$其中，为虚拟纹理力的垂直方向作用力，为虚拟纹理力的水平方向作用力，${\overrightarrow{F}}_{\mathrm{ver}}={\overrightarrow{F}}_{\mathrm{obj}}+{\overrightarrow{F}}_{\mathrm{sub}};{\overrightarrow{F}}_{\mathrm{hor}}=\overrightarrow{f},$其中，为客观因素作用力，为主观因素作用力，为相对运动时虚拟探针所受水平方向摩擦力；所述客观因素作用力按照下式计算：${\overrightarrow{F}}_{\mathrm{obj}}=k_1\times k_s\times H\times \overrightarrow{n};$其中，k_s是描述纹理材料刚度系数的一个常量，H是虚拟探针感知纹理时与纹理表面的接触点所对应的纹理表面轮廓高度，k₁是常量系数，是垂直方向单位向量；常量k_s在数值上等于垂直方向加速度均方差值与按压力的线性系数A，垂直方向加速度均方差值的计算公式为：其中，N是所测量的垂直方向加速度的组数，a_i是由纹理检测笔实际测量的垂直方向加速度数据，为了获得垂直方向加速度均方差值与按压力的线性系数A，运用相关性分析及回归分析计算以按压力F_p、扫描速度v为自变量，以垂直方向加速度均方差值a_rms为因变量的函数关系式：a_rms(F_p,v)＝A×F_p+B×v，其中，A为垂直方向加速度均方差值a_rms与按压力F_p的线性系数，B为垂直方向加速度均方差值a_rms与扫描速度v的线性系数，F_p为实际测量过程中按压力，v为实际测量过程中扫描速度；常量系数k₁的计算公式为其中，F_max为实际力反馈设备的最大输出力，常数c₁取值为0.6-0.8中的任一数值；所述主观因素作用力按照下式计算得到：${\overrightarrow{F}}_{\mathrm{sub}}=k_a\times a_{\mathrm{ver}}(F_p,v)\times \overrightarrow{n};$其中，a_ver(F_p,v)是运用线性预测编码及双线性插值的方法获得的感知过程中任意按压力大小F_p和任意感知速度v下的垂直方向加速度，k_a为将加速度信号a_ver(F_p,v)转化为力信号的常量系数，计算公式为：其中，决定客观因素作用力与主观因素作用力权重比的常数c₂取值为0.1-0.4中的任一数值，F_obj为所测得的客观因素作用力在任意按压力和探索速度下的垂直方向加速度；是垂直方向单位向量；所述水平方向摩擦阻力按照下式计算得到：$\overrightarrow{f}=\mu \times \left|F_{\mathrm{ver}}\right|\times \overrightarrow{t}$其中，μ是虚拟探针在虚拟纹理表面滑动时的滑动摩擦系数，F_ver为纹理力垂直方向作用力，为水平方向单位向量。