论文总字数：25051字

摘 要

移动终端作为迅速发展的个人计算与通讯设备，近年来进入智能化发展阶段，其人机交互接口的功能目前主要集中在视听觉交互上，能够提供的力触觉功能很有限。力触觉再现与交互技术是一种新兴的人机交互技术，能够让操作者触摸、感知和操纵虚拟物体，实现对虚拟环境的主动探索，拓展了传统的人机交互模式，进一步提高人机交互的质量。将触觉再现与交互技术应用于移动终端能够拓宽移动终端的功能和应用范围，能够扩大受众人群（如视听障碍者），增强临场感，具有广阔的应用前景和市场价值。

本文设计了一套用于移动终端的指套式力触觉反馈装置，以及基于Android系统的力触觉交互软件一套。该力触觉反馈装置主要用于移动终端的图像力触觉交互，采用了带有力觉反馈的机电结构来表达图像的高度信息，采用线性马达来表达图像的边缘信息。所设计的力触觉反馈装置采用蓝牙通信技术，可充电电池供电，做到了装置的小型化和便携性，使操作者在使用移动终端时能够通过该装置获得图像的空间力触觉信息，从而增强移动终端交互时的沉浸感。

关键词：移动终端，力触觉交互，指套式，图像边缘提取

A FINGER HAPTIC GLOVE FOR MOBILE TERMINALS

Abstract

Mobile terminals, as the fast-growing personal computing and communication devices, have developed into an intelligent stage in recent years. However, in mobile field, human-computer interaction still relies on visual and auditory interaction. It has great limitations in haptic interaction. Haptic interaction as a new human-computer interactive technology allows the operator to touch, feel and manipulate virtual objects with active exploration in virtual environments, so that the operator will have an immersive experience. Haptic interactive technology can greatly enhance the quality of the human-computer interaction and extend the range of application areas and beneficiaries. Therefore, haptic interactive technology for mobile terminals has broad application prospects and market value.

This thesis designs a finger haptic glove for mobile terminals and a software application based on Android system. This haptic interaction system is mainly used for image haptic interaction on mobile terminals，it uses electromechanical structure to produce force feedback in order to express height information of an image. What’s more, the image edge information is expressed by a linear vibration actuator. This haptic device uses the bluetooth technique and rechargeable battery to achieve miniaturization and portability. That means when operator uses the haptic interaction system to slide on an image, the operator will get spatial information of the image by haptic interaction, including the height information of each pixel and the edge information of the image.

Keywords: mobile terminal, haptic interaction, a finger glove, image edge detection

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 选题意义和研究目的 2

1.3 国内外研究现状 3

1.4 论文研究的主要内容 4

1.5 论文组织结构 5

第二章 指套式力触觉反馈装置方案设计 7

2.1 系统原理及组成 7

2.2 装置方案设计 8

第三章 硬件电路设计 15

3.1 电平适配电路 15

3.2 蓝牙通信电路 16

3.3 三轴加速度计检测电路 17

3.4 线性马达驱动电路 18

3.5 直流电机驱动电路 19

3.6 MCU控制电路 20

第四章 软件设计 21

4.1 下位机软件设计 22

4.2 上位机程序设计 24

第五章 力触觉交互实验研究 29

5.1 标定方法 29

5.2 标定结果及分析 30

第六章 结论 31

致谢 33

参考文献 34

第一章 绪论

1.1 引言

人的触觉感知系统是一个复杂而精密的多模式传感系统，根据神经信号输入方式的不同，可将其分为皮肤触觉感知、动觉感知和力触觉感知三种模式^[1][2]。其中皮肤触觉感知是利用皮肤中的受体感知外界的机械刺激、温度刺激、化学刺激、电刺激等。例如当人手触摸物体表面时，可以感受到物体表面的细微纹理、温度、湿度等物理属性。而动觉感知是由肌肉、肌腱和关节的内部力量和运动等引起的身体感受，可以感知环境的力/力矩、位置、方向、角度等信息。例如航天员推拉操作杆时可以获得阻尼力、位移变化等感受。力触觉感知则同时调用皮肤触觉感知和动觉感知的受体进行感知。人们可以通过各种各样的方式获取信息，在不同的方式中，除了视觉和听觉之外，力触觉是比较重要的一种方式，是人类感受外界环境以及与外界环境进行交互的重要手段。力触觉交互是一种新型的人机交互方式。在人与机器交互的过程中，操作者并不能直接触摸到视觉场景中的物体，而是在各类传感器及外部激励源的激励下使操作者的手部获得类似触摸到物体的力触觉感受。由于力触觉交互是一种带有反馈的双向交互，可以使人机交互系统转化为闭环系统，大大增强人机交互的准确性^[3]。实际生活的很多情况中，要求操作者可以有效地感知接触状况，从而达到精确的控制。在虚拟操作中，力触觉交互也显得格外重要，例如在虚拟外科手术中，医生通过力触觉交互可以感知到虚拟手术刀在皮肤表面划开的力觉、触觉信息，从而判断自身手部的施力大小，提高操作的准确性^[4]。

随着生活水平的提高，手机、平板电脑、笔记本电脑、智能手表等移动终端越来越深入人们的生活。早期的移动终端主要采用键盘、按钮、鼠标、麦克风等装置作为输入设备，显示屏、耳机等装置作为输出设备。在20世纪90年代初，随着计算机技术的发展和普及，一种全新的人机交互技术出现了，通过这种技术，只需要操作者轻轻点击显示屏上的文字或者图标，计算机就可以根据相应的指令进行操作，从而摆脱了键盘以及鼠标的限制^[5]。随着触摸屏技术的成熟，尤其是电容触摸屏的批量化生产，移动终端的交互方式也发生了变化。触摸屏带来了直接的人机交互方式，它使得操作与显示得以在同一个表面中完成，人们可以在二维平面中利用手势语言与机器进行交互，完成拖拉图片、翻页等复杂动作，并且可以利用多个手指实现多点触控，获得良好的交互体验^[6]。

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