本發(fā)明屬于力觸覺交互領(lǐng)域，具體涉及一種基于人力觸覺感知特性的力觸覺再現(xiàn)真實感客觀評價方法。

背景技術(shù)：

虛擬力觸覺再現(xiàn)是借助一定的裝置，模擬真實環(huán)境中人與環(huán)境交互中的各類機(jī)械刺激并作用于人，從而產(chǎn)生與真實環(huán)境相近的力觸覺感受過程。力觸覺再現(xiàn)既反映了環(huán)境中的物體的客觀物理屬性，又與人的觸覺感受特性有密切聯(lián)系，是對客觀存在物體的一種相似性的生動模仿和描述。

具有真實感的力觸覺再現(xiàn)能提高人機(jī)交互有效性、擴(kuò)大虛擬現(xiàn)實技術(shù)實用性。隨著力觸覺再現(xiàn)技術(shù)的發(fā)展，力觸覺再現(xiàn)技術(shù)已經(jīng)成為許多應(yīng)用必不可少的環(huán)節(jié)。在虛擬外科手術(shù)、臨場感遙操作、虛擬現(xiàn)實游戲等場合中，觸感的強(qiáng)弱、準(zhǔn)確性和真實性直接影響交互設(shè)備的性能和用戶人機(jī)交互的友好度。因此，力觸覺再現(xiàn)真實感研究和力觸覺再現(xiàn)真實感的評價成為力觸覺再現(xiàn)技術(shù)中的基礎(chǔ)性問題。

力觸覺再現(xiàn)真實感評價方法分為主觀評價和客觀評價兩類。主觀評價方法是讓受試者將再現(xiàn)裝置所產(chǎn)生的力觸覺刺激與真實的力觸覺感受進(jìn)行對比，由受試者親身體驗后給出意見。人的主觀評價一直認(rèn)為是最直接、最準(zhǔn)確的方法。目前，大量的力觸覺真實感評估都是采用心理物理學(xué)實驗方法進(jìn)行主觀打分。Lederman團(tuán)隊利用心理物理學(xué)實驗進(jìn)行了大量的力觸覺再現(xiàn)和評價的基礎(chǔ)性研究。Harders和Matthias等人讓受試者比較真實軟組織和虛擬軟組織所呈現(xiàn)的觸感，并對主觀評價分?jǐn)?shù)進(jìn)行了多維尺度分析。力觸覺再現(xiàn)真實感的主觀評價方法相對比較成熟，但要通過人的主觀評價實驗實現(xiàn)，受實驗條件和人為因素影響較大，結(jié)果一致性較差、過程復(fù)雜。

客觀評價是利用多種傳感器分別獲取虛擬和真實交互過程中力觸覺信息，計算機(jī)學(xué)習(xí)并模擬人的感知規(guī)律，提取能表征力觸覺刺激效果的特征參數(shù)，并將虛擬力觸覺再現(xiàn)下的特征參數(shù)與真實力觸覺接觸下的特征參數(shù)進(jìn)行對比，從而模擬人的主觀評價比較的過程。客觀評價方法通常以可測量參數(shù)為觀察對象，將虛/實參數(shù)進(jìn)行比較，對人的主觀依賴性較小，具有確定性和穩(wěn)定性的優(yōu)點。以往的力觸覺再現(xiàn)真實感客觀評價方法研究重點在于特征參數(shù)(評價對象)的選取和特征參數(shù)的比較方法。Hannaford和S.A.Wall以及K.Chun等基于Fitts定律引入了性能參數(shù)的概念，實現(xiàn)了多種特征參數(shù)的綜合。Tan提出了信息轉(zhuǎn)化量這一表征人與裝置之間的信息傳遞量的間接特征參數(shù)及其計算方法，便于不同類型的力觸覺再現(xiàn)裝置性能的橫向比較。Samur等人在進(jìn)行摩擦力觸覺再現(xiàn)系統(tǒng)的性能評估時，首先通過主觀感知實驗測得摩擦力JND值，進(jìn)而推算裝置所能呈現(xiàn)的等效摩擦系數(shù)，解決客觀評價標(biāo)準(zhǔn)與主觀評價標(biāo)準(zhǔn)不一致的問題。以上這些基于物理特征參數(shù)的客觀評價方法的局限性在于不同力觸覺交互系統(tǒng)在物理特性參數(shù)有很大差異，且單個特征參數(shù)往往也不足以反映力觸覺交互全部信息。后續(xù)研究提出了基于真實和虛擬環(huán)境下力觸覺再現(xiàn)結(jié)果對比的客觀評價方法。Emanuele和Ruffaldi等人通過對真實物體進(jìn)行掃描建立虛擬模型，而后基于真實和虛擬力觸覺再現(xiàn)的差別進(jìn)行真實感評價。這一類的客觀評價方法重點在于研究作用于人的物理刺激的一致性，但對人的力觸覺感知特性及其對力觸覺認(rèn)知的影響考慮不充分。目前雖然已經(jīng)有大量專注于力觸覺感知機(jī)理和認(rèn)知心理學(xué)的研究，發(fā)現(xiàn)了人的力觸覺感知特性，并總結(jié)出一些力觸覺認(rèn)知規(guī)律，但這些研究成果未被充分用于評價過程中觸覺認(rèn)知環(huán)節(jié)的建模與功能模擬。評價方法大多局限于基于統(tǒng)計學(xué)方法的誤差分析，也難以反映出力觸覺再現(xiàn)中的一些生理學(xué)特性。

本發(fā)明所提出的一種基于人力觸覺感知特性的力觸覺再現(xiàn)真實感客觀評價方法是建立在對交互過程中力觸覺信息的全面采集(力觸覺圖像)基礎(chǔ)上，基于人的力觸覺感知模型對人主觀評價過程進(jìn)行的模擬。以克服目前各種力觸覺再現(xiàn)真實感評價辦法通用性和評價結(jié)果一致性差的缺點。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：為了克服現(xiàn)有力觸覺再現(xiàn)真實感評價技術(shù)存在的不足，本發(fā)明提出一種基于人力觸覺感知特性的力觸覺再現(xiàn)真實感客觀評價方法。

技術(shù)方案：本發(fā)明提出的一種基于人力觸覺感知特性的力觸覺再現(xiàn)真實感客觀評價方法，包含以下主要步驟：

(1)分別對真實和虛擬環(huán)境下力觸覺再現(xiàn)任務(wù)進(jìn)行交互力和位置數(shù)據(jù)采集，經(jīng)過相關(guān)性分析和冗余處理生成包含了隨時間和空間變化的多點力觸覺圖像M_V和M_R；

(2)基于人力觸覺感知特性建立感知模型，對力觸覺圖像M_V和M_R進(jìn)行感知濾波；

(3)將感知濾波并降維處理后得到的感知矩陣S_V和S_R在感知空間內(nèi)進(jìn)行相似度分析，進(jìn)而得到虛擬力觸覺再現(xiàn)真實感客觀評價結(jié)果。

進(jìn)一步的，步驟(1)中所述力觸覺圖像是一個多維矩陣，該矩陣是由力觸覺再現(xiàn)任務(wù)中采集到的各種基礎(chǔ)物理參數(shù)以及時間維度信息共同組合而成，基本形式如下：

式(1)中，P_t表示了在t時刻的狀態(tài)矩陣，其中a_i表示根據(jù)具體力觸覺再現(xiàn)任務(wù)選定的第i個人體采集部位對應(yīng)的物理參數(shù)，所述物理參數(shù)包括力的大小、方向、運(yùn)動的位移、速度和角度中的一種或多種，k表示部位參數(shù)之間的換算關(guān)系，即相關(guān)性；和表示相應(yīng)物理參數(shù)對時間的導(dǎo)數(shù)；n表示采集部位的總個數(shù)；式(2)中力觸覺圖像表示了整個交互過程中狀態(tài)矩陣P_t隨時間變化的規(guī)律，N表示整個過程中采樣點的個數(shù)。

進(jìn)一步的，步驟(1)中所述冗余性分析是指對物理參數(shù)間的物理關(guān)系以及相互推導(dǎo)關(guān)系進(jìn)行優(yōu)化表示；所述相關(guān)性分析是指根據(jù)人體運(yùn)動學(xué)規(guī)律和力觸覺感知特性對參數(shù)之間的相關(guān)性進(jìn)行分析并表達(dá)。

進(jìn)一步的，步驟(2)中所述感知模型等效于各種單個感知濾波器的集群效應(yīng)，單個感知濾波器代表一種人對外部客觀機(jī)械刺激的主觀感受輸入輸出等效模型，感知模型的基本形式如下：

R＝{Filter|Φ₁(t),…,Φ_n(t),fr(t),OF(t),…} 式(3)

式(3)中Φ₁(t),…,Φ_n(t),fr(t),OF(t)分別代表對應(yīng)的單一感知濾波器，其中Φ₁(t),…,Φ_n(t)代表每個采集部位的多種物理參數(shù)的濾波器傳遞函數(shù)，fr(t)代表感知頻率特性傳遞函數(shù)，OF(t)代表輸出力范圍特性傳遞函數(shù)。

進(jìn)一步的，步驟(3)中的降維處理是指將經(jīng)過感知模型濾波的多維力觸覺圖像M_v和M_R由高維空間映射到較低維度的力觸覺感知空間，得到感知矩陣S_V和S_R。

進(jìn)一步的，步驟(3)中對感知矩陣S_V和S_R進(jìn)行的相似度分析采用統(tǒng)計學(xué)分析或者機(jī)器學(xué)習(xí)的方法，感知矩陣的相似度越高表明力觸覺再現(xiàn)真實感越好。

有益效果：本發(fā)明方法模擬了人主觀進(jìn)行真實感評價的過程，首先對真實和虛擬環(huán)境下同一力觸覺再現(xiàn)任務(wù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并分析生成多維矩陣，即“力觸覺圖像”，通過基于人觸覺感知特性的建模對力觸覺圖像進(jìn)行感知濾波將數(shù)據(jù)映射到感知空間，在感知空間內(nèi)對真實和虛擬環(huán)境下的數(shù)據(jù)進(jìn)行相似度分析從而完成力觸覺真實感再現(xiàn)的客觀評價。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點：

與以往基于心理物理學(xué)實驗進(jìn)行打分的主觀評價相比，本發(fā)明建立力觸覺感知模型，利用計算機(jī)模擬人感知力觸覺再現(xiàn)任務(wù)的過程，消除了實驗過程中環(huán)境和人主觀因素的影響，客觀且具有可重復(fù)性。與以往基于力觸覺再現(xiàn)設(shè)備物理性能的評價方法相比，本發(fā)明充分考慮了感知過程中人的生理心理學(xué)感知特性，評價結(jié)果更加接近真實的感受過程，更加合理可靠。和需要多人次長時間的主觀評價實驗相比，效率高，節(jié)省時間。同時本發(fā)明提出的方法是基于力觸覺再現(xiàn)任務(wù)和面向整個力觸覺再現(xiàn)過程的評價方法，適用于不同的力觸覺再現(xiàn)設(shè)備的評價。

附圖說明

圖1為力觸覺再現(xiàn)評價基本步驟示意圖。

圖2為主客觀評價方法流程對比圖。

圖3為本發(fā)明評價過程示意圖。

具體實施方式

下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明實施方案進(jìn)行具體說明。

本發(fā)明提出的一種基于人力觸覺感知特性的力觸覺再現(xiàn)真實感客觀評價方法是對人主觀感知和評價力觸覺再現(xiàn)任務(wù)過程的模擬，如附圖1所示，主觀和客觀力觸覺再現(xiàn)真實感評價均包括感受、傳導(dǎo)、分類、評價四個基本步驟，其中觸覺感受器和物理傳感器屬于感受過程，神經(jīng)傳導(dǎo)和數(shù)據(jù)預(yù)處理屬于傳導(dǎo)過程，神經(jīng)中樞(大腦)和觸覺感知模型處理屬于分類過程，最終得出結(jié)果屬于評價過程。具體到本發(fā)明提出的基于人力觸覺感知特性的力觸覺再現(xiàn)真實感客觀評價方法，如附圖2所示：數(shù)據(jù)采集與力觸覺圖像的生成過程對應(yīng)于主觀評價中人體觸覺感受器感知力觸覺再現(xiàn)裝置刺激的過程；感知模型濾波的過程對應(yīng)于主觀評價中人體神經(jīng)中樞對外界力觸覺刺激的分析綜合過程；感知空間內(nèi)的相似度分析過程對應(yīng)于主觀評價中人對再現(xiàn)效果進(jìn)行主觀打分的過程。

如圖3所示，本發(fā)明提出的一種基于人力觸覺感知特性的力觸覺再現(xiàn)真實感客觀評價方法包括以下步驟：

(1)分別對真實和虛擬環(huán)境下力觸覺再現(xiàn)任務(wù)進(jìn)行交互力和位置數(shù)據(jù)采集，經(jīng)過相關(guān)性分析和冗余處理生成力觸覺圖像M_V、M_R。

(2)基于人力觸覺感知特性的建立感知模型，對步驟(1)中的力觸覺圖像M_V、M_R進(jìn)行感知濾波。

(3)將步驟(2)中感知濾波并降維處理后得到的隨時空變化的感知矩陣S_V、S_R在感知空間內(nèi)進(jìn)行相似度分析，進(jìn)而得到力觸覺再現(xiàn)真實感客觀評價結(jié)果。

其中步驟(1)中數(shù)據(jù)采集過程中的參數(shù)需要根據(jù)不同的力觸覺再現(xiàn)任務(wù)進(jìn)行選取，通常包括交互過程力的大小方向，運(yùn)動的位移、速度、加速度等信息。步驟(1)中真實環(huán)境下的數(shù)據(jù)采集過程通過各種對應(yīng)的傳感器進(jìn)行實現(xiàn)，如壓力傳感器、角度傳感器等。虛擬環(huán)境下對應(yīng)的數(shù)據(jù)則通過虛擬模型的數(shù)據(jù)輸出得到，真實和虛擬環(huán)境下采集得到的數(shù)據(jù)均采用國際單位制并進(jìn)行歸一化處理。力觸覺圖像生成過程中的相關(guān)性分析主要根據(jù)人體運(yùn)動學(xué)規(guī)律和力觸覺感知特性對采集得到的物理參數(shù)之間的相關(guān)性進(jìn)行分析并表達(dá)，如手指掌指關(guān)節(jié)，近端指間關(guān)節(jié)，遠(yuǎn)端近端指間關(guān)節(jié)的角度換算關(guān)系。冗余性分析是指對物理參數(shù)間的物理關(guān)系以及相互推導(dǎo)關(guān)系進(jìn)行優(yōu)化表示，如速度用位移對時間的導(dǎo)數(shù)表示。生成的力觸覺圖像是一個多維矩陣，該矩陣是由力觸覺再現(xiàn)任務(wù)中采集到的各種基礎(chǔ)物理參數(shù)以及時間維度信息共同組合而成，采用如下基本形式：

如式(1)中所示，P_t表示了在t時刻的狀態(tài)矩陣，其中a_i表示根據(jù)具體力觸覺再現(xiàn)任務(wù)選定的第i個人體采集部位對應(yīng)的物理參數(shù)，包括但不限于力的大小、方向、運(yùn)動的位移、速度和角度中的一種或多種，k表示部位參數(shù)之間的換算關(guān)系，即相關(guān)性；和表示相應(yīng)物理參數(shù)對時間的導(dǎo)數(shù)；n表示采集部位的總個數(shù)；對于不同的力觸覺再現(xiàn)任務(wù)，所選參數(shù)會有不同。

式(2)中力觸覺圖像表示了整個交互過程中狀態(tài)矩陣P_t隨時間變化的規(guī)律，N表示整個過程中采樣點的個數(shù)。

步驟(2)中人力觸覺感知特性是指在進(jìn)行力觸覺交互時人體感受器感受物理參數(shù)變化的生理學(xué)規(guī)律以及各種已知的觸覺感知錯覺現(xiàn)象。感知模型等效于各種單個感知濾波器的集群效應(yīng)，單個感知濾波器代表一種人對外部客觀機(jī)械刺激的主觀感受輸入輸出等效模型。感知模型的建立采用對多個單一感知特性濾波器的級聯(lián)綜合生成，單一感知濾波器各自對應(yīng)一種力觸覺感知特性，感知模型采用如下基本形式：

R＝{Filter|Φ₁(t),…,Φ_n(t),fr(t),OF(t),…} 式(3)

式(3)中Φ₁(t),…,Φ_n(t),fr(t),OF(t)分別代表對應(yīng)的單一感知濾波器，其中Φ₁(t),…,Φ_n(t)代表每個采集部位的多種物理參數(shù)如力、位移、角度的濾波器傳遞函數(shù)，fr(t)代表感知頻率特性傳遞函數(shù)，OF(t)代表輸出力范圍特性傳遞函數(shù)。不同的傳遞函數(shù)可以表征不同類型的感知特性，如感知差別閾限、感知錯覺現(xiàn)象等。感知模型的建立需要對應(yīng)具體的力觸覺感知任務(wù)，不同的力觸覺感知任務(wù)所采用的單個感知濾波器應(yīng)相應(yīng)變化。

在步驟(3)中對步驟(2)中經(jīng)過感知模型濾波的多維力觸覺圖像M_V、M_R采用多維尺度分析(MDS)和主成分分析(PCA)的方法由高維空間映射到較低維度的力觸覺感知空間，得到感知矩陣S_V、S_R。然后在感知空間內(nèi)采用統(tǒng)計學(xué)分析或機(jī)器學(xué)習(xí)的方法進(jìn)行相似度分析，得到力觸覺再現(xiàn)真實感客觀評價結(jié)果。感知空間中真實和虛擬感知矩陣相似度越高，說明虛擬力觸覺再現(xiàn)真實感效果越好。

下面將以按壓彈簧的力觸覺再現(xiàn)任務(wù)為例，闡述本發(fā)明的具體實施過程：

本實例中采用的真實彈簧為線徑2mm，外徑25mm，長度50mm，彈簧材料為碳素鋼。真實按壓過程中壓力采集采用flexiforce柔性壓力傳感器，量程0-4.4N，彈簧形變采用超聲波測距模塊采集，精度1mm。虛擬彈簧模型采用Omega.7力觸覺再現(xiàn)裝置實現(xiàn)，輸出力精度為0.001N，位移精度為0.1mm。真實和虛擬過程中所有參數(shù)的采樣頻率均為200Hz。真實和虛擬過程中均采集一個完整的按壓過程，本實例中一個完整的過程為7s。按壓彈簧力觸覺再現(xiàn)任務(wù)較為簡單，運(yùn)動方向固定在某一坐標(biāo)軸上，因此本實例中選取按壓過程中里的大小和彈簧形變作為基本參數(shù)。下面將結(jié)合具體步驟對本發(fā)明基本過程進(jìn)行說明：

(1)力觸覺圖像的生成。本實例中分別對真實和虛擬環(huán)境下力觸覺再現(xiàn)任務(wù)進(jìn)行交互力和位置數(shù)據(jù)采集，分別得到序列F_V、S_V、F_R、S_R。本實例中相關(guān)性分析指的是各參數(shù)相對時間的相關(guān)性分析，即序列F_V、S_V、F_R、S_R分別對時間求導(dǎo)得到冗余性分析為本實例中表現(xiàn)為F和S之間的物理關(guān)系，F(xiàn)對S求導(dǎo)得到K_V、K_R。分別將序列K_V和K_R組合即得到力觸覺圖像M_V、M_R。

(2)感知模型的建立和濾波。本實例中采用的感知濾波器包括感知頻率特性、感知力范圍特性和感知差別閾限特性濾波器。濾波模型形式為：

R＝{Filter|fr(t),OF(t),JND_F}

前期研究表明手指按壓過程中手指感知頻率范圍為2-6Hz，手指感知力范圍特性為大于0.06N，力感知相對差別閾限在0.06-2.5N范圍內(nèi)為7％，在2.5-10N范圍內(nèi)為25％。因此模型中fr(t)是表明頻率特性的帶通濾波器，OF(t)是表明力范圍特性的帶通濾波器。JND_F是表明力相對差別閾限的濾波器，其形式如下：

濾波結(jié)果得到感知矩陣S_V、S_R。式中I表明當(dāng)前觸覺刺激量的大小，ΔI表示兩個連續(xù)刺激之間的值的改變大小，K為相對差別閾限。如果ΔI/I值大于K，表明人體能夠感受觸覺刺激變化，反之人體不能感受到觸覺刺激的變化。

(3)感知空間中相似度分析。本實例中采用統(tǒng)計學(xué)分析的方法進(jìn)行相似度分析，具體分析時在matlab中用corrcoef函數(shù)實現(xiàn)。步驟(2)得到的感知矩陣S_V、S_R由三個個時間序列組成，其中k_V、k_R表征彈簧彈性系數(shù)，相似度為1，不作為評價參考標(biāo)準(zhǔn)。序列表明按壓速度變化特征，不同按壓過程差異性較大，也不能作為評價參考標(biāo)準(zhǔn)。序列S_V、S_R表征力隨時間變化，在理想彈簧模型F＝kΔx下相似度R為0.9445。修改虛擬彈簧模型為F＝kΔx²后，相似度R變?yōu)?.6401。此結(jié)果表明感知空間內(nèi)相似度R可以實現(xiàn)對評價力觸覺再現(xiàn)真實感的客觀評價。

本實例僅是對一個簡單的彈簧按壓的力觸覺再現(xiàn)過程進(jìn)行分析，所選模型和處理方法也均針對本過程。對于其他力觸覺再現(xiàn)任務(wù)，在進(jìn)行客觀力觸覺再現(xiàn)真實感評估時應(yīng)選取相對應(yīng)的物理參數(shù)、觸覺感知模型和相關(guān)性、冗余性以及相似度分析方法。