免费论文：主动切向力平面纹理反馈设备设计与性能研究

平面纹理反馈设备可以给操作者提供粗糙度、纹理及形状等触觉反馈。主动切向力平面纹理反馈设备不仅仅可以对手指产生阻力，还可以产生驱动力，推动或者牵引手指的运动。本文重点讨论主动切向力平面纹理反馈设备的设计思路，对设备输出的主动切向力进行建模、分析，研究手指对切向力的感知能力，从而分析设备所必需的主动切向力输出能力。

首先，本文给出了主动切向力平面纹理反馈设备的设计方案，讨论了两种形状：矩形和圆形或圆环形的主动切向力平面纹理反馈设备的设计。针对矩形设备，提出了基于驻波的设计方案，用于产生沿矩形长边或短边的主动切向力；针对圆形或圆环形设备，提出了基于行波的设计方案，用于产生沿圆环圆周方向的主动切向力。这两种设备都是利用压电陶瓷片驱动，激励设备表面产生沿表面法向和切向的同频率的振动，都可以对手指产生大小和方向可控的主动切向力。本文分别介绍了设备的设计原理，给出了设备振动模态的选择依据，压电陶瓷片的最佳布局和激励方式，以及物理样机的结构设计。

其次，本文对主动切向力平面纹理反馈设备作用在手指皮肤的主动切向力进行建模，分析设备可以对手指产生主动切向力的原因以及主动切向力的影响因素。首先提出了碰撞-脉冲接触模型，分析皮肤与设备的接触状态，求解设备作用于皮肤的支持力。进一步，分析皮肤与设备碰撞接触时的相对法向速度和相对切向速度，求解二者碰撞和接触时的摩擦力，从而建立主动切向力模型。最后深入研究了设备的控制参数（表面振动相位差、法向振幅、切向振幅）以及手指法向压力对主动切向力的大小和方向的影响。

第三，为了研究主动切向力平面纹理反馈设备所必需的主动切向力输出能力，本文测量了手指指尖对不同频率变化的切向力的绝对感知阈值，研究手指能感知的最小切向力的大小。为了研究哪些因素会影响操作者在使用此类设备时获得的触觉感受，本文研究了切向力方向，切向力持续时间，手指法向压力对切向力感知的影响。

主动切向力平面纹理反馈设备可以逼真地模拟形状、边界以及纹理等触觉特征。本文系统地介绍了此类设备的设计方法，分析了设备输出的主动切向力的影响因素，测量了手指对切向力的绝对感知阈值，研究了哪些因素如何影响手指对切向力感知，为此类设备的设计、控制、使用提供了理论基础和指导。

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