本書總體目標(biāo)是介紹觸力覺人機交互的現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢和重要應(yīng)用，為讀者在機器人、虛擬現(xiàn)實、生物工程、認(rèn)知科學(xué)等領(lǐng)域開展跨學(xué)科研究和技術(shù)開發(fā)打下基礎(chǔ)。全書共8章，主要內(nèi)容包括觸力覺人機交互概述、人體觸力覺感知和運動控制的生理基礎(chǔ)、桌面式力覺交互設(shè)備、力覺合成方法、桌面式力覺交互系統(tǒng)、振動觸覺交互、紋理觸覺交互、觸力覺人機交互前沿等。通過本書的學(xué)習(xí)，讀者可以了解觸力覺感知的生理基礎(chǔ)知識，學(xué)習(xí)如何研制和使用觸力覺交互設(shè)備、如何設(shè)計實現(xiàn)觸力覺合成算法、如何開發(fā)觸力覺人機交互仿真系統(tǒng)。
本書既可作為機械工程、計算機科學(xué)與技術(shù)、電子信息工程、自動化、虛擬現(xiàn)實技術(shù)、機器人工程、生物醫(yī)學(xué)工程等專業(yè)研究生和高年級本科生的教材，也可作為相關(guān)行業(yè)科研人員的參考書。
1.本書具有較高的學(xué)術(shù)價值
本書作者自2002年以來，持續(xù)開展了多種觸力覺交互系統(tǒng)，建立了實驗研究平臺，在高水平國內(nèi)外期刊上發(fā)表幾十篇文章，一些成果已經(jīng)成功應(yīng)用于我國的重點項目中，個人理論成果和實踐成果較為豐富，學(xué)術(shù)價值高。
2.服務(wù)國家戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)，推動行業(yè)應(yīng)用
觸力覺人機交互在各領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價值。觸力覺人機交互的研究涉及多學(xué)科交叉領(lǐng)域的融合創(chuàng)新。研究呈現(xiàn)出困難多、進(jìn)展慢、研究隊伍缺乏的現(xiàn)狀。本書能為觸力覺交互技術(shù)研究人員提供參考價值。
3. 促進(jìn)新工科相關(guān)專業(yè)領(lǐng)域人才的培養(yǎng)
觸力覺相關(guān)的圖書還比較缺乏。本書可作為機械工程、自動化科學(xué)、計算機應(yīng)用、心理學(xué)、認(rèn)知科學(xué)、人機功效學(xué)、生物醫(yī)學(xué)工程等專業(yè)研究生和高年級本科生的學(xué)習(xí)參考資料。
王黨校：男，1976年生，北航教授，2004年獲北航博士學(xué)位。IEEE觸覺技術(shù)委員會(IEEE Technical Committee on Haptics) 執(zhí)行委員會主席，IEEE Transactions on Haptics編委（Associate Editor），國際期刊Digital Medicine編委（Associate Editor）。觸覺領(lǐng)域權(quán)威會議IEEE World Haptics Conference編輯。作為指導(dǎo)委員會成員發(fā)起成立了亞洲觸覺會議 AsiaHaptics Conference。IEEE高級會員，中國計算機學(xué)會人機交互專業(yè)委員會常委，北京市科技新星。
主要研究領(lǐng)域為觸覺人機交互，聚集于理解和揭示觸覺感知和反饋的生物機理，人與機器（計算機、機器人）通過觸覺通道自然交互的新途徑。發(fā)表第一作者和通訊作者IEEE Trans論文17篇，SCI論文他引100余次。獲國家發(fā)明專利授權(quán)12項，出版Springer英文專著1部。2013年獲教育部技術(shù)發(fā)明一等獎。獲機器人領(lǐng)域頂級會議 IEEE ICRA最佳論文提名獎。
目 錄
第 1章 觸力覺人機交互概述 1
1.1 觸力覺人機交互的研究背景 1
1.1.1 人與物理環(huán)境的觸力覺交互 1
1.1.2 人與計算機的觸力覺交互 3
1.1.3 人與機器人的觸力覺交互 5
1.2 觸力覺人機交互的基本概念 6
1.3 觸力覺人機交互的研究分支和挑戰(zhàn) 8
1.4 觸力覺人機交互的發(fā)展歷史 10
1.4.1 桌面式觸力覺人機交互 11
1.4.2 觸屏式觸力覺人機交互 12
1.4.3 穿戴式觸力覺人機交互 13
1.5 觸力覺人機交互的研究意義 15
小結(jié) 16
思考題目 16
參考文獻(xiàn) 16
第 2章 人體觸力覺感知和運動控制的生理基礎(chǔ) 18
2.1 觸覺感知機理 19
2.1.1 皮膚內(nèi)部觸覺感受器 19
2.1.2 觸覺感受器特性和觸覺信息的傳遞 21
2.1.3 人體皮膚的觸覺感知能力 24
2.2 力覺感知機理 25
2.2.1 力覺感受器 25
2.2.2 本體感覺與平衡覺感受器 27
2.2.3 人體力與運動的感知能力 28
2.3 觸力覺信息的傳導(dǎo)通路 30
2.3.1 觸力覺信息的上下行神經(jīng)通路 30
2.3.2 跨通道感知的特性 32
2.4 觸力覺信息的加工處理 35
2.4.1 大腦皮層的觸覺區(qū)域 35
2.4.2 腦網(wǎng)絡(luò)與腦神經(jīng)可塑性 36
2.4.3 “觸覺錯覺”現(xiàn)象 39
2.5 人體運動控制和力控制 41
2.5.1 人體運動控制執(zhí)行器 41
2.5.2 低級神經(jīng)中樞對軀體運動的支配 44
2.5.3 高級神經(jīng)中樞對軀體運動的支配 45
2.6 觸覺心理物理學(xué)實驗 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)的測量方法 51
2.6.3 統(tǒng)計分析的基本數(shù)理工具 54
小結(jié) 56
思考題目 57
參考文獻(xiàn) 57
第3章 桌面式力覺交互設(shè)備 60
3.1 桌面式力覺交互設(shè)備的總體介紹 60
3.1.1 桌面式力覺交互設(shè)備的組成與工作原理 60
3.1.2 桌面式力覺交互設(shè)備的功能和性能指標(biāo) 61
3.1.3 桌面式力覺交互設(shè)備的設(shè)計流程 62
3.2 力覺交互設(shè)備的分類 63
3.2.1 串聯(lián)形式的力覺交互設(shè)備 63
3.2.2 并聯(lián)形式的力覺交互設(shè)備 65
3.2.1 串并混聯(lián)結(jié)構(gòu)形式的力覺交互設(shè)備 67
3.3 桌面式力覺交互設(shè)備的機械系統(tǒng)設(shè)計 69
3.3.1 構(gòu)型設(shè)計 69
3.3.2 運動學(xué)分析 70
3.3.3 靜力學(xué)和動力學(xué)分析 72
3.3.4 傳感器選型 73
3.3.5 驅(qū)動器選型 75
3.3.6 傳動和結(jié)構(gòu)設(shè)計 76
3.4 桌面式力覺交互設(shè)備的控制系統(tǒng)設(shè)計 77
3.4.1 一個引例：一維轉(zhuǎn)動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 力覺交互設(shè)備穩(wěn)定性 82
3.5 桌面式力覺交互設(shè)備實例 85
3.5.1 單自由度桌面式力覺交互設(shè)備 85
3.5.2 三自由度桌面式力覺交互設(shè)備iFeel 3.0 87
3.5.3 六自由度桌面式力覺交互設(shè)備 90
3.5.4 六自由度大空間力覺交互設(shè)備iFeel BH1500 94
小結(jié) 95
思考題目 96
參考文獻(xiàn) 96
第4章 力覺合成方法 100
4.1 力覺合成簡介 100
4.1.1 力覺合成的基本概念 100
4.1.2 力覺合成的性能指標(biāo) 101
4.1.3 力覺合成的發(fā)展簡史 102
4.2 力覺合成的計算框架 103
4.2.1 阻抗式力覺交互設(shè)備的有限阻抗約束特性 103
4.2.2 力覺合成的計算框架 105
4.3 虛擬環(huán)境建模 108
4.3.1 力覺交互場景建模的特點 109
4.3.2 網(wǎng)格模型 110
4.3.3 體素模型 111
4.3.4 球樹模型 112
4.3.5 其他模型 114
4.4 實時碰撞檢測方法 114
4.4.1 力覺合成中碰撞檢測的特殊性 114
4.4.2 碰撞檢測算法分類 115
4.4.3 基于多分辨率模型的碰撞檢測算法 116
4.4.4 連續(xù)碰撞檢測算法 117
4.4.5 常用開發(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 交互力計算模型 121
4.6.1 彈簧力計算模型 122
4.6.2 摩擦力計算模型 123
4.6.3 細(xì)節(jié)特征計算模型 124
4.7 交互對象動力學(xué)響應(yīng) 126
4.7.1 交互對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)渥兓牧τX模擬仿真 130
4.8 力覺合成研究的前沿問題 131
4.8.1 大規(guī)模場景力覺交互 131
4.8.2 生物組織復(fù)雜交互行為模擬 132
4.8.3 從力覺合成到力觸覺融合生成 132
4.8.4 開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)庫建設(shè) 134
4.8.5 新型交互應(yīng)用開發(fā) 135
4.9 力覺合成方法實例 136
4.9.1 虛擬墻力覺合成實例 136
4.9.2 虛擬球力覺合成實例 137
小結(jié) 138
思考題目 138
參考文獻(xiàn) 138
第5章 桌面式力覺交互系統(tǒng) 143
5.1 桌面式力覺交互典型應(yīng)用領(lǐng)域 143
5.1.1 醫(yī)療手術(shù)模擬 143
5.1.2 機器人主從操作 145
5.1.3 虛擬樣機產(chǎn)品設(shè)計和裝配設(shè)計 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)計與實現(xiàn) 156
5.3 飛機發(fā)動機虛擬裝配系統(tǒng) 159
5.3.1 飛機發(fā)動機虛擬裝配系統(tǒng)的需求分析 159
5.3.2 飛機發(fā)動機虛擬裝配系統(tǒng)的組成 160
5.3.4 飛機發(fā)動機虛擬裝配系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn) 162
小結(jié) 166
思考題目 166
參考文獻(xiàn) 167
第6章 振動觸覺交互 169
6.1 振動觸覺感知機制 169
6.1.1 人體振動觸覺感知的生理機理 169
6.1.2 振動觸覺感知閾限 171
6.1.3 觸覺幻覺效應(yīng) 175
6.2 振動觸覺交互的硬件裝置 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 振動觸覺交互設(shè)備的分類 178
6.4 振動觸覺的應(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 紋理觸覺交互 188
7.1 紋理觸覺的定義 188
7.2 紋理觸覺的感知維度 189
7.3 紋理觸覺的仿真方法 190
7.3.1 基于機械振動的紋理觸覺仿真方法 191
7.3.2 基于調(diào)節(jié)表面摩擦力的紋理觸覺仿真方法 192
7.3.3 基于改變表面形貌的紋理觸覺仿真方法 198
7.3.4 基于電刺激的紋理觸覺仿真方法 202
小結(jié) 204
思考題目 204
參考文獻(xiàn) 204
第8章 觸力覺人機交互前沿 210
8.1 穿戴式力覺交互 210
8.1.1 穿戴式力覺交互設(shè)備 210
8.1.2 虛擬手力覺合成方法 216
8.2 多元觸覺交互 222
8.2.1 多元觸覺感知的生理學(xué)特性 222
8.2.2 多元觸覺交互設(shè)備的定義和量化指標(biāo) 224
8.2.3 多元觸覺交互設(shè)備的分類 226
8.2.4 多元觸覺信息融合交互的研究進(jìn)展 227
8.2.5 多元觸覺交互設(shè)備的技術(shù)發(fā)展趨勢 231
小結(jié) 232
參考文獻(xiàn) 232
附錄 239
附錄A 研究課題庫 239
A.1 桌面式力覺交互設(shè)備設(shè)計課題 239
A.2 力覺合成方法開發(fā)課題 241
A.3 人體觸覺心理物理學(xué)測量課題 242
A.4 力覺交互應(yīng)用設(shè)計課題 242
附錄B 視頻素材 242
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