1、触觉系统入门：原理、模型与稳定性分析

触觉系统入门：原理、模型与稳定性分析

1. 触觉系统概述

触觉系统是硬件与软件的结合，能将远程环境或计算机模拟虚拟环境中的触觉和力反馈等触觉感受传递给用户的手或身体。在控制远程操作机器人时，用户通过接收机器人与远程环境之间的触觉和运动觉交互的触觉反馈，可提高任务执行的效率。

• 医疗手术应用 ：在涉及辐射的精细手术中，远程操作机器人让外科医生在单独的辐射屏蔽室进行手术，大大降低了辐射暴露风险。若能将患者器官与机器人之间的相互作用力准确传递到外科医生手中，手术成功率会显著提高。
• 医学模拟与元宇宙 ：为用户提供虚拟环境中产生的触觉和力感，可提高医学模拟或元宇宙中虚拟环境的真实感和逼真度。医学模拟帮助新手医生提高操作熟练度，通过触觉设备操作虚拟器官模型，计算变形和相互作用力并传递给学员，使其学习目标技能。元宇宙中的触觉控制方法则用于增强沉浸感，提升虚拟对象操作、用户交互、游戏性能和娱乐体验。

2. 触觉系统模型

触觉系统由人类操作员、触觉设备以及虚拟环境或远程操作机器人和物理环境组成。其工作过程如下：
1. 触觉设备测量并量化操作员的输入运动，将其传输到计算机模拟或机器人。
2. 计算机模拟或机器人计算或测量相互作用力。
3. 控制器对相互作用力进行稳定处理，并通过零阶保持（ZOH）将其转换为模拟信号后传输给操作员。

操作员和触觉设备处于连续时间域，而虚拟环境或远程机器人处于离散时间域，信号通过数字通信传输，因此触觉系统是连续和离散时间信号共存的混合系统。

2.1 触觉