触力觉人机交互导论

1.本书具有较高的学术价值 本书作者自2002年以来，持续开展了多种触力觉交互系统，建立了实验研究平台，在高水平国内外期刊上发表几十篇文章，一些成果已经成功应用于我国的重点项目中，个人理论成果和实践成果较为丰富，学术价值高。 2.服务国家战略产业，推动行业应用 触力觉人机交互在各领域具有重要应用价值。触力觉人机交互的研究涉及多学科交叉领域的融合创新。研究呈现出困难多、进展慢、研究队伍缺乏的现状。本书能为触力觉交互技术研究人员提供参考价值。 3. 促进新工科相关专业领域人才的培养 触力觉相关的图书还比较缺乏。本书可作为机械工程、自动化科学、计算机应用、心理学、认知科学、人机功效学、生物医学工程等专业研究生和高年级本科生的学习参考资料。

本书总体目标是介绍触力觉人机交互的现状、发展趋势和重要应用，为读者在机器人、虚拟现实、生物工程、认知科学等领域开展跨学科研究和技术开发打下基础。全书共8章，主要内容包括触力觉人机交互概述、人体触力觉感知和运动控制的生理基础、桌面式力觉交互设备、力觉合成方法、桌面式力觉交互系统、振动触觉交互、纹理触觉交互、触力觉人机交互前沿等。通过本书的学习，读者可以了解触力觉感知的生理基础知识，学习如何研制和使用触力觉交互设备、如何设计实现触力觉合成算法、如何开发触力觉人机交互仿真系统。 本书既可作为机械工程、计算机科学与技术、电子信息工程、自动化、虚拟现实技术、机器人工程、生物医学工程等专业研究生和高年级本科生的教材，也可作为相关行业科研人员的参考书。

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。获机器人领域很好会议 IEEE ICRA很好论文提名奖。

目 录 第 1章 触力觉人机交互概述 1 1.1 触力觉人机交互的研究背景 1 1.1.1 人与物理环境的触力觉交互 1 1.1.2 人与计算机的触力觉交互 3 1.1.3 人与机器人的触力觉交互 5 1.2 触力觉人机交互的基本概念 6 1.3 触力觉人机交互的研究分支和挑战 8 1.4 触力觉人机交互的发展历史 10 1.4.1 桌面式触力觉人机交互 11 1.4.2 触屏式触力觉人机交互 12 1.4.3 穿戴式触力觉人机交互 13 1.5 触力觉人机交互的研究意义 15 小结 16 思考题目 16 参考文献 16 第 2章 人体触力觉感知和运动控制的生理基础 18 2.1 触觉感知机理 19 2.1.1 皮肤内部触觉感受器 19 2.1.2 触觉感受器特性和触觉信息的传递 21 2.1.3 人体皮肤的触觉感知能力 24 2.2 力觉感知机理 25 2.2.1 力觉感受器 25 2.2.2 本体感觉与平衡觉感受器 27 2.2.3 人体力与运动的感知能力 28 2.3 触力觉信息的传导通路 30 2.3.1 触力觉信息的上下行神经通路 30 2.3.2 跨通道感知的特性 32 2.4 触力觉信息的加工处理 35 2.4.1 大脑皮层的触觉区域 35 2.4.2 脑网络与脑神经可塑性 36 2.4.3 “触觉错觉”现象 39 2.5 人体运动控制和力控制 41 2.5.1 人体运动控制执行器 41 2.5.2 低级神经中枢对躯体运动的支配 44 2.5.3 高级神经中枢对躯体运动的支配 45 2.6 触觉心理物理学实验 47 2.6.1 心理物理学的相关概念 47 2.6.2 心理物理学的测量方法 51 2.6.3 统计分析的基本数理工具 54 小结 56 思考题目 57 参考文献 57 第3章 桌面式力觉交互设备 60 3.1 桌面式力觉交互设备的总体介绍 60 3.1.1 桌面式力觉交互设备的组成与工作原理 60 3.1.2 桌面式力觉交互设备的功能和性能指标 61 3.1.3 桌面式力觉交互设备的设计流程 62 3.2 力觉交互设备的分类 63 3.2.1 串联形式的力觉交互设备 63 3.2.2 并联形式的力觉交互设备 65 3.2.1 串并混联结构形式的力觉交互设备 67 3.3 桌面式力觉交互设备的机械系统设计 69 3.3.1 构型设计 69 3.3.2 运动学分析 70 3.3.3 静力学和动力学分析 72 3.3.4 传感器选型 73 3.3.5 驱动器选型 75 3.3.6 传动和结构设计 76 3.4 桌面式力觉交互设备的控制系统设计 77 3.4.1 一个引例：一维转动力反馈游戏操作手柄 77 3.4.2 阻抗控制的原理和流程 78 3.4.3 导纳控制的原理和流程 79 3.4.4 控制系统硬件 80 3.4.5 力觉交互设备稳定性 82 3.5 桌面式力觉交互设备实例 85 3.5.1 单自由度桌面式力觉交互设备 85 3.5.2 三自由度桌面式力觉交互设备iFeel 3.0 87 3.5.3 六自由度桌面式力觉交互设备 90 3.5.4 六自由度大空间力觉交互设备iFeel BH1500 94 小结 95 思考题目 96 参考文献 96 第4章 力觉合成方法 100 4.1 力觉合成简介 100 4.1.1 力觉合成的基本概念 100 4.1.2 力觉合成的性能指标 101 4.1.3 力觉合成的发展简史 102 4.2 力觉合成的计算框架 103 4.2.1 阻抗式力觉交互设备的有限阻抗约束特性 103 4.2.2 力觉合成的计算框架 105 4.3 虚拟环境建模 108 4.3.1 力觉交互场景建模的特点 109 4.3.2 网格模型 110 4.3.3 体素模型 111 4.3.4 球树模型 112 4.3.5 其他模型 114 4.4 实时碰撞检测方法 114 4.4.1 力觉合成中碰撞检测的特殊性 114 4.4.2 碰撞检测算法分类 115 4.4.3 基于多分辨率模型的碰撞检测算法 116 4.4.4 连续碰撞检测算法 117 4.4.5 常用开发包 117 4.5 交互工具的碰撞响应 118 4.5.1 碰撞响应算法分类 118 4.5.2 基于惩罚的方法 119 4.5.3 基于约束的方法 120 4.5.4 基于冲击的方法 121 4.6 交互力计算模型 121 4.6.1 弹簧力计算模型 122 4.6.2 摩擦力计算模型 123 4.6.3 细节特征计算模型 124 4.7 交互对象动力学响应 126 4.7.1 交互对象几何物理耦合模型 126 4.7.2 变形体模拟仿真 129 4.7.3 拓扑变化的力觉模拟仿真 130 4.8 力觉合成研究的前沿问题 131 4.8.1 大规模场景力觉交互 131 4.8.2 生物组织复杂交互行为模拟 132 4.8.3 从力觉合成到力触觉融合生成 132 4.8.4 开发标准库建设 134 4.8.5 新型交互应用开发 135 4.9 力觉合成方法实例 136 4.9.1 虚拟墙力觉合成实例 136 4.9.2 虚拟球力觉合成实例 137 小结 138 思考题目 138 参考文献 138 第5章 桌面式力觉交互系统 143 5.1 桌面式力觉交互典型应用领域 143 5.1.1 医疗手术模拟 143 5.1.2 机器人主从操作 145 5.1.3 虚拟样机产品设计和装配设计 147 5.1.4 肢体康复 149 5.1.5 科学数据可视化 152 5.1.6 娱乐游戏 152 5.2 口腔手术模拟系统 154 5.2.1 口腔手术模拟系统的需求分析 154 5.2.2 口腔手术模拟系统的组成 155 5.2.3 口腔手术模拟系统的设计与实现 156 5.3 飞机发动机虚拟装配系统 159 5.3.1 飞机发动机虚拟装配系统的需求分析 159 5.3.2 飞机发动机虚拟装配系统的组成 160 5.3.4 飞机发动机虚拟装配系统的设计与实现 162 小结 166 思考题目 166 参考文献 167 第6章 振动触觉交互 169 6.1 振动触觉感知机制 169 6.1.1 人体振动触觉感知的生理机理 169 6.1.2 振动触觉感知阈限 171 6.1.3 触觉幻觉效应 175 6.2 振动触觉交互的硬件装置 175 6.2.1 线性电磁类执行器 177 6.2.2 旋转电磁类执行器 177 6.2.3 非电磁类执行器 178 6.3 振动触觉交互设备的分类 178 6.4 振动触觉的应用领域 179 6.4.1 物理信息传递 179 6.4.2 抽象信息传递 180 6.4.3 多媒体 181 小结 182 思考题目 183 参考文献 183 第7章 纹理触觉交互 188 7.1 纹理触觉的定义 188 7.2 纹理触觉的感知维度 189 7.3 纹理触觉的仿真方法 190 7.3.1 基于机械振动的纹理触觉仿真方法 191 7.3.2 基于调节表面摩擦力的纹理触觉仿真方法 192 7.3.3 基于改变表面形貌的纹理触觉仿真方法 198 7.3.4 基于电刺激的纹理触觉仿真方法 202 小结 204 思考题目 204 参考文献 204 第8章 触力觉人机交互前沿 210 8.1 穿戴式力觉交互 210 8.1.1 穿戴式力觉交互设备 210 8.1.2 虚拟手力觉合成方法 216 8.2 多元触觉交互 222 8.2.1 多元触觉感知的生理学特性 222 8.2.2 多元触觉交互设备的定义和量化指标 224 8.2.3 多元触觉交互设备的分类 226 8.2.4 多元触觉信息融合交互的研究进展 227 8.2.5 多元触觉交互设备的技术发展趋势 231 小结 232 参考文献 232 附录 239 附录A 研究课题库 239 A.1 桌面式力觉交互设备设计课题 239 A.2 力觉合成方法开发课题 241 A.3 人体触觉心理物理学测量课题 242 A.4 力觉交互应用设计课题 242 附录B 视频素材 242