目 錄 第 1章 觸力覺(jué)人機(jī)交互概述 1 1.1 觸力覺(jué)人機(jī)交互的研究背景 1 1.1.1 人與物理環(huán)境的觸力覺(jué)交互 1 1.1.2 人與計(jì)算機(jī)的觸力覺(jué)交互 3 1.1.3 人與機(jī)器人的觸力覺(jué)交互 5 1.2 觸力覺(jué)人機(jī)交互的基本概念 6 1.3 觸力覺(jué)人機(jī)交互的研究分支和挑戰(zhàn) 8 1.4 觸力覺(jué)人機(jī)交互的發(fā)展歷史 10 1.4.1 桌面式觸力覺(jué)人機(jī)交互 11 1.4.2 觸屏式觸力覺(jué)人機(jī)交互 12 1.4.3 穿戴式觸力覺(jué)人機(jī)交互 13 1.5 觸力覺(jué)人機(jī)交互的研究意義 15 小結(jié) 16 思考題目 16 參考文獻(xiàn) 16 第 2章 人體觸力覺(jué)感知和運(yùn)動(dòng)控制的生理基礎(chǔ) 18 2.1 觸覺(jué)感知機(jī)理 19 2.1.1 皮膚內(nèi)部觸覺(jué)感受器 19 2.1.2 觸覺(jué)感受器特性和觸覺(jué)信息的傳遞 21 2.1.3 人體皮膚的觸覺(jué)感知能力 24 2.2 力覺(jué)感知機(jī)理 25 2.2.1 力覺(jué)感受器 25 2.2.2 本體感覺(jué)與平衡覺(jué)感受器 27 2.2.3 人體力與運(yùn)動(dòng)的感知能力 28 2.3 觸力覺(jué)信息的傳導(dǎo)通路 30 2.3.1 觸力覺(jué)信息的上下行神經(jīng)通路 30 2.3.2 跨通道感知的特性 32 2.4 觸力覺(jué)信息的加工處理 35 2.4.1 大腦皮層的觸覺(jué)區(qū)域 35 2.4.2 腦網(wǎng)絡(luò)與腦神經(jīng)可塑性 36 2.4.3 “觸覺(jué)錯(cuò)覺(jué)”現(xiàn)象 39 2.5 人體運(yùn)動(dòng)控制和力控制 41 2.5.1 人體運(yùn)動(dòng)控制執(zhí)行器 41 2.5.2 低級(jí)神經(jīng)中樞對(duì)軀體運(yùn)動(dòng)的支配 44 2.5.3 高級(jí)神經(jīng)中樞對(duì)軀體運(yùn)動(dòng)的支配 45 2.6 觸覺(jué)心理物理學(xué)實(shí)驗(yàn) 47 2.6.1 心理物理學(xué)的相關(guān)概念 47 2.6.2 心理物理學(xué)的測(cè)量方法 51 2.6.3 統(tǒng)計(jì)分析的基本數(shù)理工具 54 小結(jié) 56 思考題目 57 參考文獻(xiàn) 57 第3章 桌面式力覺(jué)交互設(shè)備 60 3.1 桌面式力覺(jué)交互設(shè)備的總體介紹 60 3.1.1 桌面式力覺(jué)交互設(shè)備的組成與工作原理 60 3.1.2 桌面式力覺(jué)交互設(shè)備的功能和性能指標(biāo) 61 3.1.3 桌面式力覺(jué)交互設(shè)備的設(shè)計(jì)流程 62 3.2 力覺(jué)交互設(shè)備的分類 63 3.2.1 串聯(lián)形式的力覺(jué)交互設(shè)備 63 3.2.2 并聯(lián)形式的力覺(jué)交互設(shè)備 65 3.2.1 串并混聯(lián)結(jié)構(gòu)形式的力覺(jué)交互設(shè)備 67 3.3 桌面式力覺(jué)交互設(shè)備的機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì) 69 3.3.1 構(gòu)型設(shè)計(jì) 69 3.3.2 運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 70 3.3.3 靜力學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析 72 3.3.4 傳感器選型 73 3.3.5 驅(qū)動(dòng)器選型 75 3.3.6 傳動(dòng)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 76 3.4 桌面式力覺(jué)交互設(shè)備的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 77 3.4.1 一個(gè)引例：一維轉(zhuǎn)動(dòng)力反饋游戲操作手柄 77 3.4.2 阻抗控制的原理和流程 78 3.4.3 導(dǎo)納控制的原理和流程 79 3.4.4 控制系統(tǒng)硬件 80 3.4.5 力覺(jué)交互設(shè)備穩(wěn)定性 82 3.5 桌面式力覺(jué)交互設(shè)備實(shí)例 85 3.5.1 單自由度桌面式力覺(jué)交互設(shè)備 85 3.5.2 三自由度桌面式力覺(jué)交互設(shè)備iFeel 3.0 87 3.5.3 六自由度桌面式力覺(jué)交互設(shè)備 90 3.5.4 六自由度大空間力覺(jué)交互設(shè)備iFeel BH1500 94 小結(jié) 95 思考題目 96 參考文獻(xiàn) 96 第4章 力覺(jué)合成方法 100 4.1 力覺(jué)合成簡(jiǎn)介 100 4.1.1 力覺(jué)合成的基本概念 100 4.1.2 力覺(jué)合成的性能指標(biāo) 101 4.1.3 力覺(jué)合成的發(fā)展簡(jiǎn)史 102 4.2 力覺(jué)合成的計(jì)算框架 103 4.2.1 阻抗式力覺(jué)交互設(shè)備的有限阻抗約束特性 103 4.2.2 力覺(jué)合成的計(jì)算框架 105 4.3 虛擬環(huán)境建模 108 4.3.1 力覺(jué)交互場(chǎng)景建模的特點(diǎn) 109 4.3.2 網(wǎng)格模型 110 4.3.3 體素模型 111 4.3.4 球樹(shù)模型 112 4.3.5 其他模型 114 4.4 實(shí)時(shí)碰撞檢測(cè)方法 114 4.4.1 力覺(jué)合成中碰撞檢測(cè)的特殊性 114 4.4.2 碰撞檢測(cè)算法分類 115 4.4.3 基于多分辨率模型的碰撞檢測(cè)算法 116 4.4.4 連續(xù)碰撞檢測(cè)算法 117 4.4.5 常用開(kāi)發(fā)包 117 4.5 交互工具的碰撞響應(yīng) 118 4.5.1 碰撞響應(yīng)算法分類 118 4.5.2 基于懲罰的方法 119 4.5.3 基于約束的方法 120 4.5.4 基于沖擊的方法 121 4.6 交互力計(jì)算模型 121 4.6.1 彈簧力計(jì)算模型 122 4.6.2 摩擦力計(jì)算模型 123 4.6.3 細(xì)節(jié)特征計(jì)算模型 124 4.7 交互對(duì)象動(dòng)力學(xué)響應(yīng) 126 4.7.1 交互對(duì)象幾何物理耦合模型 126 4.7.2 變形體模擬仿真 129 4.7.3 拓?fù)渥兓�的力覺(jué)模擬仿真 130 4.8 力覺(jué)合成研究的前沿問(wèn)題 131 4.8.1 大規(guī)模場(chǎng)景力覺(jué)交互 131 4.8.2 生物組織復(fù)雜交互行為模擬 132 4.8.3 從力覺(jué)合成到力觸覺(jué)融合生成 132 4.8.4 開(kāi)發(fā)標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)建設(shè) 134 4.8.5 新型交互應(yīng)用開(kāi)發(fā) 135 4.9 力覺(jué)合成方法實(shí)例 136 4.9.1 虛擬墻力覺(jué)合成實(shí)例 136 4.9.2 虛擬球力覺(jué)合成實(shí)例 137 小結(jié) 138 思考題目 138 參考文獻(xiàn) 138 第5章 桌面式力覺(jué)交互系統(tǒng) 143 5.1 桌面式力覺(jué)交互典型應(yīng)用領(lǐng)域 143 5.1.1 醫(yī)療手術(shù)模擬 143 5.1.2 機(jī)器人主從操作 145 5.1.3 虛擬樣機(jī)產(chǎn)品設(shè)計(jì)和裝配設(shè)計(jì) 147 5.1.4 肢體康復(fù) 149 5.1.5 科學(xué)數(shù)據(jù)可視化 152 5.1.6 娛樂(lè)游戲 152 5.2 口腔手術(shù)模擬系統(tǒng) 154 5.2.1 口腔手術(shù)模擬系統(tǒng)的需求分析 154 5.2.2 口腔手術(shù)模擬系統(tǒng)的組成 155 5.2.3 口腔手術(shù)模擬系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 156 5.3 飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)虛擬裝配系統(tǒng) 159 5.3.1 飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)虛擬裝配系統(tǒng)的需求分析 159 5.3.2 飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)虛擬裝配系統(tǒng)的組成 160 5.3.4 飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)虛擬裝配系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 162 小結(jié) 166 思考題目 166 參考文獻(xiàn) 167 第6章 振動(dòng)觸覺(jué)交互 169 6.1 振動(dòng)觸覺(jué)感知機(jī)制 169 6.1.1 人體振動(dòng)觸覺(jué)感知的生理機(jī)理 169 6.1.2 振動(dòng)觸覺(jué)感知閾限 171 6.1.3 觸覺(jué)幻覺(jué)效應(yīng) 175 6.2 振動(dòng)觸覺(jué)交互的硬件裝置 175 6.2.1 線性電磁類執(zhí)行器 177 6.2.2 旋轉(zhuǎn)電磁類執(zhí)行器 177 6.2.3 非電磁類執(zhí)行器 178 6.3 振動(dòng)觸覺(jué)交互設(shè)備的分類 178 6.4 振動(dòng)觸覺(jué)的應(yīng)用領(lǐng)域 179 6.4.1 物理信息傳遞 179 6.4.2 抽象信息傳遞 180 6.4.3 多媒體 181 小結(jié) 182 思考題目 183 參考文獻(xiàn) 183 第7章 紋理觸覺(jué)交互 188 7.1 紋理觸覺(jué)的定義 188 7.2 紋理觸覺(jué)的感知維度 189 7.3 紋理觸覺(jué)的仿真方法 190 7.3.1 基于機(jī)械振動(dòng)的紋理觸覺(jué)仿真方法 191 7.3.2 基于調(diào)節(jié)表面摩擦力的紋理觸覺(jué)仿真方法 192 7.3.3 基于改變表面形貌的紋理觸覺(jué)仿真方法 198 7.3.4 基于電刺激的紋理觸覺(jué)仿真方法 202 小結(jié) 204 思考題目 204 參考文獻(xiàn) 204 第8章 觸力覺(jué)人機(jī)交互前沿 210 8.1 穿戴式力覺(jué)交互 210 8.1.1 穿戴式力覺(jué)交互設(shè)備 210 8.1.2 虛擬手力覺(jué)合成方法 216 8.2 多元觸覺(jué)交互 222 8.2.1 多元觸覺(jué)感知的生理學(xué)特性 222 8.2.2 多元觸覺(jué)交互設(shè)備的定義和量化指標(biāo) 224 8.2.3 多元觸覺(jué)交互設(shè)備的分類 226 8.2.4 多元觸覺(jué)信息融合交互的研究進(jìn)展 227 8.2.5 多元觸覺(jué)交互設(shè)備的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì) 231 小結(jié) 232 參考文獻(xiàn) 232 附錄 239 附錄A 研究課題庫(kù) 239 A.1 桌面式力覺(jué)交互設(shè)備設(shè)計(jì)課題 239 A.2 力覺(jué)合成方法開(kāi)發(fā)課題 241 A.3 人體觸覺(jué)心理物理學(xué)測(cè)量課題 242 A.4 力覺(jué)交互應(yīng)用設(shè)計(jì)課題 242 附錄B 視頻素材 242