基于觸摸屏的智能設(shè)備已廣泛應(yīng)用于人們的日常生活中。觸摸屏具有顯示可視化數(shù)據(jù)和檢測手指觸摸位置的功能,其為人們提供了一種與虛擬環(huán)境交互的新方法。通常,用戶通過視覺和聽覺與觸摸屏設(shè)備進行交互,但力觸覺交互非常有限。力觸覺交互是一種可雙向傳遞信息的新型人機交互技術(shù),它能夠讓操作者觸摸、感知和操縱虛擬物體,并向操作者再現(xiàn)虛擬物體的表面摩擦、紋理、柔軟度、材質(zhì)等多種與觸覺相關(guān)的特征信息。尤其是對于盲人或視障人士來說,力觸覺交互為他們感知在觸摸屏上顯示的圖形、圖像和虛擬環(huán)境等多種數(shù)字化信息提供了一條重要的途徑。然而,目前面向觸摸屏應(yīng)用的人機交互技術(shù)普遍缺乏有效的力觸覺感受,且很少考慮符合人的生理感知特性的力觸覺表達方法。針對觸摸屏交互的特點和實際需求,本文首先從人的生理感知特性出發(fā),將力觸覺交互技術(shù)與觸摸屏設(shè)備相結(jié)合,分別設(shè)計了包括手持式和手指可穿戴式在內(nèi)的三種力觸覺裝置,這些裝置可通過多模式的力觸覺反饋來再現(xiàn)虛擬物體或圖像的多種特征信息。接著,為了更好地幫助人們在觸摸屏上感知圖像的空間信息,本文首次將基于深度學(xué)習(xí)的圖像平滑算法應(yīng)用于智能設(shè)備,以便在觸覺再現(xiàn)之前先對原始圖像進行平滑處理。最后,本文... 

【文章頁數(shù)】：142 頁

【學(xué)位級別】：博士

【文章目錄】：
摘要
ABSTRACT
名詞縮寫對照表
第一章 緒論
    1.1 課題研究背景和意義
        1.1.1 力觸覺交互技術(shù)概述
        1.1.2 力觸覺交互與再現(xiàn)技術(shù)在觸摸屏設(shè)備上的應(yīng)用
    1.2 圖像空間信息的力觸覺再現(xiàn)
        1.2.1 圖像空間信息的視-觸轉(zhuǎn)換
        1.2.2 觸覺地感知圖像的空間信息
    1.3 面向觸摸屏應(yīng)用的力觸覺裝置和再現(xiàn)方法
        1.3.1 基于觸摸屏設(shè)備的力觸覺再現(xiàn)
        1.3.2 借助交互工具的力觸覺再現(xiàn)
    1.4 基于磁流變效應(yīng)的力觸覺設(shè)備
        1.4.1 磁流變智能材料及其在力觸覺設(shè)備中的應(yīng)用
        1.4.2 磁流變執(zhí)行器對于力觸覺交互系統(tǒng)穩(wěn)定性和透明性的影響
    1.5 目前存在的主要問題
    1.6 本文的研究內(nèi)容與論文組織結(jié)構(gòu)
第二章 用于觸摸屏交互的筆式多模式力觸覺接口研究
    2.1 引言
    2.2 筆式多模式力觸覺接口的設(shè)計
        2.2.1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計
        2.2.2 工作原理
    2.3 混合執(zhí)行器的設(shè)計與控制
        2.3.1 MR執(zhí)行器的設(shè)計
        2.3.2 VCM的設(shè)計
        2.3.3 混合執(zhí)行器的控制方案
    2.4 性能評估
        2.4.1 LRA和壓電陶瓷執(zhí)行器的振動性能測試
        2.4.2 再現(xiàn)虛擬物體的剛度特征
    2.5 心理物理學(xué)實驗
        2.5.1 實驗人員和裝置
        2.5.2 實驗一:三種觸覺模式的剛度JND測量
        2.5.3 實驗二:不同觸覺模式的對比
        2.5.4 討論
    2.6 本章小結(jié)
第三章 基于磁流變彈性體的球形執(zhí)行器研究
    3.1 引言
    3.2 球形執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)設(shè)計及其與筆式裝置的集成
    3.3 MRE的制作和性能測試
        3.3.1 MRE的制作
        3.3.2 相對磁導(dǎo)率的測量
        3.3.3 磁場和速度對MRE表面摩擦系數(shù)的影響
    3.4 樣機的實現(xiàn)和側(cè)向力控制
        3.4.1 側(cè)向力的計算模型
        3.4.2 有限元分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化
        3.4.3 基于電流的側(cè)向力控制
    3.5 客觀和主觀性能評估
        3.5.1 實驗一:最大滑動摩擦系數(shù)的測量
        3.5.2 實驗二:在觸摸屏上再現(xiàn)虛擬表面的摩擦特征
        3.5.3 實驗三:摩擦辨別任務(wù)
        3.5.4 討論
    3.6 本章小結(jié)
第四章 用于觸摸屏交互的手指可穿戴式力觸覺接口研究
    4.1 引言
    4.2 手指可穿戴式力觸覺接口的總體設(shè)計
    4.3 直線型MR泡沫執(zhí)行器
        4.3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計和原理建模
        4.3.2 結(jié)構(gòu)的有限元分析和優(yōu)化
        4.3.3 MR泡沫執(zhí)行器的測試和控制
    4.4 裝置的性能評估
        4.4.1 MR泡沫執(zhí)行器的力跟蹤性能
        4.4.2 側(cè)向力的控制和摩擦系數(shù)測量
        4.4.3 振動性能測試
    4.5 心理物理學(xué)實驗
        4.5.1 實驗人員和裝置
        4.5.2 實驗一:剛度辨別任務(wù)
        4.5.3 實驗二:摩擦辨別任務(wù)
        4.5.4 討論
    4.6 本章小結(jié)
第五章 基于深度學(xué)習(xí)的圖像平滑和圖像空間信息的力觸覺再現(xiàn)實驗研究
    5.1 引言
    5.2 基于深度學(xué)習(xí)的圖像平滑
        5.2.1 深度學(xué)習(xí)和CNN的概述
        5.2.2 基于CNN的圖像平滑濾波器
        5.2.3 圖像平滑算法的比較
        5.2.4 深度學(xué)習(xí)模型在Android平臺上的移植
    5.3 面向觸摸屏的圖像空間特征提取
        5.3.1 圖像形狀特征的提取
        5.3.2 圖像輪廓特征的提取
    5.4 利用MH-PEN的振動觸覺反饋再現(xiàn)圖像中物體的輪廓信息
        5.4.1 改進型MH-Pen
        5.4.2 基于輪廓再現(xiàn)的圖像識別實驗
    5.5 基于形狀再現(xiàn)的多裝置對比實驗
        5.5.1 形狀再現(xiàn)實驗1:規(guī)則形狀識別任務(wù)
        5.5.2 形狀再現(xiàn)實驗2:自然圖像識別任務(wù)
        5.5.3 形狀再現(xiàn)實驗的討論
    5.6 本章小結(jié)
第六章 總結(jié)與展望
    6.1 本文工作總結(jié)
    6.2 本文主要創(chuàng)新點
    6.3 未來研究展望
致謝
參考文獻
作者攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文及成果



本文編號：3711229