Engineering Haptic Devices pdf epub mobi txt 电子书下载 2026

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出版者:

作者:Thorsten A. Kern

出品人:

页数:503

译者:

出版时间:2009-7-28

价格:$178.12

装帧:

isbn号码:9783540882473

丛书系列:

图书标签:

Haptics
Human-Computer Interaction
Robotics
Engineering
Device Design
Sensory Feedback
Virtual Reality
Augmented Reality
Control Systems
Mechatronics

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具体描述

Tactile perception and haptics are essential for us, as we gain information about structures and surface properties of physical objects by using the sense of touch. Haptics also enables us to manipulate the physical world. The emphasis of this book is put on technologies for artificially deceiving our haptic perception. First, examples and a definition of haptics from a physiological point of view are given. Thereby, one focus is on cases of loss of haptics in everyday professional routine, in order to emphasize the impact of haptics. Then, an overview of products with extraordinary haptic properties leads to a more precise terminology. In the second part of the book, concrete technical aspects of haptic manipulation and manipulators are considered beginning with higher-level subjects like control and kinematics and proceeding with a detailed discussion of actuators and sensors and the interfaces to and from the mechanical environment. In the final chapter fundamental software engineering is introduced, including haptic interaction in virtual reality simulations. "Engineering Haptic Devices" is intended to be a reference book for technologies of haptic relevance as well as a textbook on methods of haptic engineering and applications.It is addressed to students and professionals of engineering disciplines or natural sciences.

触觉交互系统的未来：超越机械的感知与控制本书简介《触觉交互系统的未来：超越机械的感知与控制》深入探讨了人机交互领域一个前沿且日益关键的分支——触觉技术。本书旨在为研究人员、工程师、设计师以及对未来人机界面充满好奇的读者提供一个全面、深入且具有前瞻性的视角，解析如何构建更自然、更沉浸、更具信息量的触觉反馈系统。我们正处在一个技术飞速发展的时代，视觉和听觉界面已臻成熟，但人类通过触觉获取世界信息的能力尚未被充分利用。本书的核心在于揭示如何将精确的力反馈、精妙的纹理渲染以及复杂的振动模式集成到各种设备中，从而极大地增强用户体验，特别是在远程操作、虚拟现实、医疗模拟以及辅助技术等高要求领域。第一部分：触觉交互的基础与核心原理本部分为理解现代触觉系统打下坚实的理论基础。我们将从人体的触觉生理学入手，详细阐述皮肤如何感知压力、振动、温度和纹理。这不仅仅是工程学问题，更是神经科学与生物力学的交叉领域。 1.1 人体触觉的生物力学模型：我们将分析梅克尔细胞、帕西尼小体等感受器的工作机制，建立皮肤与外部刺激之间的数学模型。理解这些机制是设计有效反馈信号的前提。 1.2 触觉反馈的分类与演变：本章梳理了从简单的振动马达到复杂的力矩反馈系统（Force Feedback）的发展历程。重点介绍基于力、基于振动（Vibrotactile）和基于皮肤变形（Skin Stretch）的反馈技术之间的异同及其适用场景。 1.3 驱动技术的新浪潮：传统的直流电机驱动正逐渐被更精细、响应更快的技术取代。本书详细分析了压电材料（PZT）、形状记忆合金（SMA）以及静电力驱动等前沿技术在微型化和高保真度触觉反馈中的应用潜力。特别是针对高频、低功耗的便携式设备驱动方案，提供了具体的工程设计考量。第二部分：高保真触觉渲染与建模仅仅拥有好的硬件是不够的，如何将数字信息转化为可感知的触觉信号是决定交互质量的关键。本部分聚焦于触觉信号的生成、传输和感知建模。 2.1 触觉信号的数字化与合成：探讨如何从三维模型、物理仿真结果或用户意图出发，实时计算所需的触觉“特效”。这包括建立基于有限元分析（FEA）的接触碰撞模型，以及如何处理和压缩触觉数据流，以确保低延迟的实时渲染。 2.2 纹理与表面粗糙度的触觉再现：纹理是区分不同材料的关键。我们深入研究了如何利用高频振动模式来模拟不同材料的粗糙度、粘滞性和摩擦系数。提出了新的算法，用于将复杂的表面扫描数据映射到可驱动的触觉阵列上，实现前所未有的真实感。 2.3 跨模态信息融合与感知心理物理学：触觉信息往往需要与视觉和听觉信息协同工作才能达到最佳效果。本章探讨了多通道反馈之间的时间同步、强度校准以及如何利用“幻觉效应”（如电触觉刺激产生温度错觉）来优化用户体验，同时避免感知饱和。第三部分：面向特定应用的系统集成与设计实践本部分将理论与工程实践紧密结合，展示了先进触觉技术在多个关键应用领域的落地案例和设计规范。 3.1 远程操作与力反馈设备的设计：在高精度远程操控（如外科手术或深空探测）中，操作者必须“感觉”到远程物体的状态。本书提供了设计高刚度、低背隙力反馈机械臂的标准流程，包括如何处理延迟、避免不稳定的震荡，以及利用力矩传感器和编码器进行精确的力矩传递。 3.2 沉浸式虚拟现实与元宇宙中的触觉反馈：虚拟环境中的“触摸”是下一代计算平台的核心。我们分析了穿戴式触觉手套、全身反馈背心以及环境级触觉反馈系统（如地板振动平台）的设计挑战。特别关注如何实现轻量化、无线化和多用户环境下的触觉共享协议。 3.3 医疗康复与诊断工具的创新：触觉反馈在康复训练中的作用日益凸显，例如帮助中风患者重塑运动模式。本章详细介绍了用于肌电信号（EMG）采集与反馈的集成系统，以及利用触觉技术辅助糖尿病患者进行早期足部损伤检测的便携式设备的设计指南。 3.4 辅助技术与无障碍交互设计：触觉界面为视障或听障用户提供了强大的信息替代渠道。我们探讨了如何将复杂的屏幕信息或实时音频转化为清晰、直观的触觉序列。本书提出了用于导航和信息获取的触觉符号学标准，确保触觉反馈的通用性和可学习性。第四部分：未来展望与工程挑战本书以对未来触觉技术发展趋势的探讨作结，并直面当前工程界面临的重大挑战。 4.1 新材料与自适应触觉：展望新型的软物质材料、可重构表面（Reconfigurable Surfaces）以及基于微流体的触觉驱动器。探讨如何实现真正的“自适应”触觉设备，能够根据用户意图和环境变化动态改变其物理特性。 4.2 触觉系统的计算效率与功耗管理：随着触觉反馈复杂度的增加，计算需求和能耗成为便携设备的主要瓶颈。本部分讨论了边缘计算（Edge Computing）在触觉信号预处理中的应用，以及如何设计超低功耗的振动控制电路，以延长设备续航时间。 4.3 伦理、安全与人机共存：随着触觉技术日益深入人体，我们必须审视其潜在的伦理影响，包括触觉信息的隐私保护、长时间佩戴的生物相容性测试，以及如何确保人机交互的安全性，避免过度刺激或不当干预对用户造成的生理或心理影响。《触觉交互系统的未来：超越机械的感知与控制》不仅是一本技术手册，更是一份激发创新思维的蓝图，它旨在推动触觉技术从实验室走向广阔的应用前沿，彻底改变我们与数字世界和物理世界互动的方式。通过扎实的理论支撑和丰富的工程实例，本书将是构建下一代沉浸式用户体验的必备参考。