电触觉力反馈混合设备的设计与控制及其多模态力触觉再现研究

High performance haptic device is the key equipment of the construction of the teleoperation and the haptic Virtual Reality system. This project aims to develop a new high performance kinesthetic and tactile hybrid haptic device by integration of an electrotactile device and the developed kinesthetic device in our group. The key scientific and technical problems in design and control of the electrotactile device, design and control of the electrotactile and kinesthetic hybrid haptic device, and the multi-modal haptic rendering based on the psychophysical experiments will be systematically studied. An estimation and adaptive control algorithm based on the recursive extended least squares method is put forward to online estimate the parameters of the bioimpedance model and control the stimulus current between skin and electrodes, consequently achieving the stability of the stimulus current of the electrotactile device.The surface Electromyography (sEMG) is applied to obtain the online estimation of the mechanical impedance of hand, and the nonlinear tracking differentiator is used for speed estimation, thus, the accurate and efficient adaptive impedance control will be implemented for the kinesthetic and tactile hybrid haptic device. In addition, psychophysical experiments are carried out to investigate the response of hand stimulated by the hybrid haptic device when the kinesthetic device and tactile device are integrated together, therefore, the electrotactile and kinesthetic hybrid haptic device with high fidelity and multi-modal haptic rendering functions, will be eventually developed. The research of this project will promote independent innovation in the field of haptic technology and teleoperation robots in China.

高性能力触觉反馈设备是构建遥操作和虚拟现实系统的关键设备。本项目通过电触觉设备与自主研发的力反馈设备深度有机结合，以实现高性能力触觉混合反馈设备为研究目标，深入研究电触觉设备设计与控制、力触觉混合反馈设备设计与动力学控制及基于心理物理学实验的力触觉混合反馈设备多模态力触觉再现等方面的关键科学问题与技术。提出一种基于递推增广最小二乘法的皮肤-电极生物阻抗在线估计与电刺激自适应控制方法来实现对电触觉设备刺激电流的稳定性控制；使用表面肌电信号（sEMG）对人手阻抗进行在线估计，通过非线性跟踪微分器估计速度，实现对力触觉混合反馈设备的准确高效自适应阻抗控制；进一步采用心理物理学实验，研究力触觉混合反馈设备对力触觉融合时人手感知器的刺激反应，最终实现具有高逼真度、多模态力触觉再现的力触觉混和反馈设备。该项目对于推动我国力触觉反馈技术及遥操机器人领域自主创新具有重要意义。

本项目以实现高性能电触觉反馈设备为研究目标，深入研究了恒压电刺激触觉的生理原理，设计了一种恒压电刺激触觉设备，该设备采用同轴共地的点阵电极板设计，电极驱动使用恒压电源多路分时为电极板点阵提供恒定的高压刺激脉冲信号。开展了人手皮肤-电极生物阻抗建模、参数辨识估计相关仿真实验实验研究，建立了手指指腹表皮-电极、表皮、真皮及皮下组织的人手皮肤-电极生物阻抗模型。针对电触觉设备中的人手皮肤-电极生物阻抗模型及其时变特性，采用含遗忘因子的递推增广最小二乘法估计实时估计生物阻抗模型的参数。为了获得更好的电触觉反馈和力觉反馈的混合力触觉效果，针对力反馈的重力导致设备后驱性降低，增加设备的摩擦影响，对力反馈设备进行了重力补偿研究，实现了对力反馈设备的有效重力补偿。对力反馈设备进行了相应的阻抗控制研究，实现了基于微分跟踪的滑模的力反馈设备自适应阻抗控制。通过上述研究最终实现了一款较高性能的电刺激力反馈设备，并实现了力触觉混合反馈设备多模态力触觉再现效果。.相关科学意义：将力触觉特性引入遥操作机器人、虚拟手术仿真系统、虚拟现实等研究领域，在人机交互时提供力触觉，增强操作时的临场感和沉浸感，改进操作效率和操作精度。例如，在外科手术中，医生可以利用力触觉在虚拟人体上进行实时手术仿真训练，替代在动物或人尸体上进行训练的传统外科手术培训模式，可以大幅提高培训效率，缩短培训周期，减轻一系列成本开销。另外，力触觉也常常应用在深海作业、医疗康复机器人、游戏和教育训练中，给操作者提供真实的力感和触感。该研究成果对于推动我国力触觉反馈技术及遥操机器人领域自主创新具有重要意义。相关成果已发表SCI期刊论文8篇，已投稿SCI期刊论文4篇，授权发明专利5项，申请发明专利3项，培养博士研究生3 人，硕士研究生8人，已超额完成了本项目的预期研究计划。