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1.本书具有较高的学术价值
本书作者自2002年以来，持续开展了多种触力觉交互系统，建立了实验研究平台，在高水平国内外期刊上发表几十篇文章，一些成果已经成功应用于我国的重点项目中，个人理论成果和实践成果较为丰富，学术价值高。
2.服务国家战略产业，推动行业应用
触力觉人机交互在各领域具有重要应用价值。触力觉人机交互的研究涉及多学科交叉领域的融合创新。研究呈现出困难多、进展慢、研究队伍缺乏的现状。本书能为触力觉交互技术研究人员提供参考价值。
3. 促进新工科相关专业领域人才的培养
触力觉相关的图书还比较缺乏。本书可作为机械工程、自动化科学、计算机应用、心理学、认知科学、人机功效学、生物医学工程等专业研究生和高年级本科生的学习参考资料。
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| 內容簡介： |
本书总体目标是介绍触力觉人机交互的现状、发展趋势和重要应用，为读者在机器人、虚拟现实、生物工程、认知科学等领域开展跨学科研究和技术开发打下基础。全书共8章，主要内容包括触力觉人机交互概述、人体触力觉感知和运动控制的生理基础、桌面式力觉交互设备、力觉合成方法、桌面式力觉交互系统、振动触觉交互、纹理触觉交互、触力觉人机交互前沿等。通过本书的学习，读者可以了解触力觉感知的生理基础知识，学习如何研制和使用触力觉交互设备、如何设计实现触力觉合成算法、如何开发触力觉人机交互仿真系统。
本书既可作为机械工程、计算机科学与技术、电子信息工程、自动化、虚拟现实技术、机器人工程、生物医学工程等专业研究生和高年级本科生的教材，也可作为相关行业科研人员的参考书。
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| 關於作者： |
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王党校：男，1976年生，北航教授，2004年获北航博士学位。IEEE触觉技术委员会(IEEE Technical Committee on Haptics) 执行委员会主席，IEEE Transactions on Haptics编委（Associate Editor），国际期刊Digital Medicine编委（Associate Editor）。触觉领域权威会议IEEE World Haptics Conference编辑。作为指导委员会成员发起成立了亚洲触觉会议 AsiaHaptics Conference。IEEE高级会员，中国计算机学会人机交互专业委员会常委，北京市科技新星。主要研究领域为触觉人机交互，聚集于理解和揭示触觉感知和反馈的生物机理，人与机器（计算机、机器人）通过触觉通道自然交互的新途径。发表作者和通讯作者IEEE Trans论文17篇，SCI论文他引100余次。获国家发明专利授权12项，出版Springer英文专著1部。2013年获教育部技术发明一等奖。获机器人领域会议 IEEE ICRA论文提名奖。
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| 目錄：
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目 录
第 1章 触力觉人机交互概述1
1.1 触力觉人机交互的研究背景1
1.1.1 人与物理环境的触力觉交互1
1.1.2 人与计算机的触力觉交互3
1.1.3 人与机器人的触力觉交互5
1.2 触力觉人机交互的基本概念6
1.3 触力觉人机交互的研究分支和挑战8
1.4 触力觉人机交互的发展历史10
1.4.1 桌面式触力觉人机交互11
1.4.2 触屏式触力觉人机交互12
1.4.3 穿戴式触力觉人机交互13
1.5 触力觉人机交互的研究意义15
小结16
思考题目16
参考文献16
第 2章 人体触力觉感知和运动控制的生理基础18
2.1 触觉感知机理19
2.1.1 皮肤内部触觉感受器19
2.1.2 触觉感受器特性和触觉信息的传递21
2.1.3 人体皮肤的触觉感知能力24
2.2 力觉感知机理25
2.2.1 力觉感受器25
2.2.2 本体感觉与平衡觉感受器27
2.2.3 人体力与运动的感知能力28
2.3 触力觉信息的传导通路30
2.3.1 触力觉信息的上下行神经通路30
2.3.2 跨通道感知的特性32
2.4 触力觉信息的加工处理35
2.4.1 大脑皮层的触觉区域35
2.4.2 脑网络与脑神经可塑性36
2.4.3 “触觉错觉”现象39
2.5 人体运动控制和力控制41
2.5.1 人体运动控制执行器41
2.5.2 低级神经中枢对躯体运动的支配44
2.5.3 高级神经中枢对躯体运动的支配45
2.6 触觉心理物理学实验47
2.6.1 心理物理学的相关概念47
2.6.2 心理物理学的测量方法51
2.6.3 统计分析的基本数理工具54
小结56
思考题目57
参考文献57
第3章 桌面式力觉交互设备60
3.1 桌面式力觉交互设备的总体介绍60
3.1.1 桌面式力觉交互设备的组成与工作原理60
3.1.2 桌面式力觉交互设备的功能和性能指标61
3.1.3 桌面式力觉交互设备的设计流程62
3.2 力觉交互设备的分类63
3.2.1 串联形式的力觉交互设备63
3.2.2 并联形式的力觉交互设备65
3.2.1 串并混联结构形式的力觉交互设备67
3.3 桌面式力觉交互设备的机械系统设计69
3.3.1 构型设计69
3.3.2 运动学分析70
3.3.3 静力学和动力学分析72
3.3.4 传感器选型73
3.3.5 驱动器选型75
3.3.6 传动和结构设计76
3.4 桌面式力觉交互设备的控制系统设计77
3.4.1 一个引例：一维转动力反馈游戏操作手柄77
3.4.2 阻抗控制的原理和流程78
3.4.3 导纳控制的原理和流程79
3.4.4 控制系统硬件80
3.4.5 力觉交互设备稳定性82
3.5桌面式力觉交互设备实例85
3.5.1 单自由度桌面式力觉交互设备85
3.5.2 三自由度桌面式力觉交互设备iFeel 3.087
3.5.3 六自由度桌面式力觉交互设备90
3.5.4 六自由度大空间力觉交互设备iFeel BH150094
小结95
思考题目96
参考文献96
第4章 力觉合成方法100
4.1 力觉合成简介100
4.1.1 力觉合成的基本概念100
4.1.2 力觉合成的性能指标101
4.1.3 力觉合成的发展简史102
4.2 力觉合成的计算框架103
4.2.1 阻抗式力觉交互设备的有限阻抗约束特性103
4.2.2 力觉合成的计算框架105
4.3 虚拟环境建模108
4.3.1 力觉交互场景建模的特点109
4.3.2 网格模型110
4.3.3 体素模型111
4.3.4 球树模型112
4.3.5 其他模型114
4.4 实时碰撞检测方法114
4.4.1 力觉合成中碰撞检测的特殊性114
4.4.2 碰撞检测算法分类115
4.4.3 基于多分辨率模型的碰撞检测算法116
4.4.4 连续碰撞检测算法117
4.4.5 常用开发包117
4.5 交互工具的碰撞响应118
4.5.1 碰撞响应算法分类118
4.5.2 基于惩罚的方法119
4.5.3 基于约束的方法120
4.5.4 基于冲击的方法121
4.6 交互力计算模型121
4.6.1 弹簧力计算模型122
4.6.2 摩擦力计算模型123
4.6.3 细节特征计算模型124
4.7 交互对象动力学响应126
4.7.1 交互对象几何物理耦合模型126
4.7.2 变形体模拟仿真129
4.7.3 拓扑变化的力觉模拟仿真130
4.8 力觉合成研究的前沿问题131
4.8.1 大规模场景力觉交互131
4.8.2 生物组织复杂交互行为模拟132
4.8.3 从力觉合成到力触觉融合生成132
4.8.4 开发标准库建设134
4.8.5 新型交互应用开发135
4.9 力觉合成方法实例136
4.9.1 虚拟墙力觉合成实例136
4.9.2 虚拟球力觉合成实例137
小结138
思考题目138
参考文献138
第5章 桌面式力觉交互系统143
5.1 桌面式力觉交互典型应用领域143
5.1.1 医疗手术模拟143
5.1.2 机器人主从操作145
5.1.3 虚拟样机产品设计和装配设计147
5.1.4 肢体康复149
5.1.5 科学数据可视化152
5.1.6 娱乐游戏152
5.2 口腔手术模拟系统154
5.2.1 口腔手术模拟系统的需求分析154
5.2.2 口腔手术模拟系统的组成155
5.2.3 口腔手术模拟系统的设计与实现156
5.3 飞机发动机虚拟装配系统159
5.3.1 飞机发动机虚拟装配系统的需求分析159
5.3.2 飞机发动机虚拟装配系统的组成160
5.3.4 飞机发动机虚拟装配系统的设计与实现162
小结166
思考题目166
参考文献167
第6章 振动触觉交互169
6.1 振动触觉感知机制169
6.1.1 人体振动触觉感知的生理机理169
6.1.2 振动触觉感知阈限171
6.1.3 触觉幻觉效应175
6.2 振动触觉交互的硬件装置175
6.2.1 线性电磁类执行器177
6.2.2 旋转电磁类执行器177
6.2.3 非电磁类执行器178
6.3 振动触觉交互设备的分类178
6.4 振动触觉的应用领域179
6.4.1 物理信息传递179
6.4.2 抽象信息传递180
6.4.3 多媒体181
小结182
思考题目183
参考文献183
第7章 纹理触觉交互188
7.1 纹理触觉的定义188
7.2 纹理触觉的感知维度189
7.3 纹理触觉的仿真方法190
7.3.1 基于机械振动的纹理触觉仿真方法191
7.3.2 基于调节表面摩擦力的纹理触觉仿真方法192
7.3.3 基于改变表面形貌的纹理触觉仿真方法198
7.3.4 基于电刺激的纹理触觉仿真方法202
小结204
思考题目204
参考文献204
第8章 触力觉人机交互前沿210
8.1 穿戴式力觉交互210
8.1.1 穿戴式力觉交互设备210
8.1.2 虚拟手力觉合成方法216
8.2 多元触觉交互222
8.2.1 多元触觉感知的生理学特性222
8.2.2 多元触觉交互设备的定义和量化指标224
8.2.3 多元触觉交互设备的分类226
8.2.4 多元触觉信息融合交互的研究进展227
8.2.5 多元触觉交互设备的技术发展趋势231
小结232
参考文献232
附录239
附录A 研究课题库239
A.1 桌面式力觉交互设备设计课题239
A.2 力觉合成方法开发课题241
A.3 人体触觉心理物理学测量课题242
A.4 力觉交互应用设计课题242
附录B 视频素材242
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