本书对触觉传感器和触觉显示器的设计进行阐述，内容包括触觉传感器和触觉显示器设计中的基础知识、机器人三轴触觉传感器设计、VR触觉显示器设计，以及触觉传感器和触觉显示器应用实例等。本书内容是笔者多年的研究成果，结合以往的经验，指出触觉传感器和触觉显示器的最终研究方向。 本书适合开发和应用触觉传感器与触觉显示器的科研工作者、技术人员阅读，也可作为相关专业师生的参考用书。

第1章绪论
　　人有五种感觉器官：视觉、听觉、触觉、嗅觉和味觉。对它们的充分运用使我们得以了解情况、工作、享受艺术、运动健体、欣赏四季之美。缺少任何一种感觉器官都会出现问题。机器人也是如此，只有具备多种感觉器官，才能更加适应环境的变化，扩大作业范围。
　　触摸VR中呈现的虚拟物体的“触觉显示器”的研发在当下如火如荼。人类生来善于通过上述多种感觉来认知事物，触觉显示器技术从根本上说恰恰源自这一本质。也就是说，人类并不满足于视觉效果，在眼看的同时也想要手摸。
　　机器人和VR设备联网，人们在世界任何地方都能实现信息共享的IoT（international of things）时代已经来临。如果将世界简化为机器人机电系统、计算机网络和人三者之间的关系，则从系统角度看，触觉传感器和触觉显示器分别是系统中的输入和输出设备；从人的角度看，二者分别是输出和输入设备。因此在IoT社会中，触觉传感器和触觉显示器都是关键组成要素。触觉传感器和触觉显示器不仅对机器人工程和VR技术至关重要，对IoT社会也极为关键，本书将基于笔者的经验，对它的设计及应用进行总结。
　　如今，人们提出了各种触觉传感器和触觉显示器原理，可谓百花齐放。这一点与监控设备形成鲜明对比，公寓用的监控设备的摄像原理大多集中在CCD（charge coupled device）和CMOS（complementary oxide semiconductor）图像传感器上。原理众多，恰恰说明研发并非一帆风顺。尤其是触觉传感器，在1980年*早的Harmon的调查中已出现了多种方案，40年过去了，如今的触觉传感器仍然不像CCD或CMOS相机那样有公认的范式原理。希望读者们能从本书中得到启发，提出新的方案。触觉传感器和触觉显示器的设计难在需要考虑到物体接触和心理效果两方面因素，比设计单纯的电子设备更有成就感，希望读者们勇于尝试。
　　开发过程中有时需要半导体制造工序原理，但也有许多相对廉价、可以在研究室中简单实行的原理。初期投资低，可在模拟、试做、实装实验、应用实验等各个阶段发表论文，因此触觉传感器和触觉显示器原理十分适合作为大学相关人员的研究课题。
　　本书对触觉传感器和触觉显示器的设计进行了阐述。这二者看似大有不同，但正如前文所述，本书将触觉比作输入或输出，因此触觉传感器和触觉显示器是彼此相对的。也许在将来，人们会开发出既可作为触觉传感器，又可作为触觉显示器使用的设备。也就是说，触觉传感器和触觉显示器缺一不可，不能单独讨论。
　　两种设备都需要接触对象，涉及心理效果和信息处理，因此设计方法和评价方式与其他机器人设备截然不同。如果读者能够通过本书了解二者独有的特征，那么本书也应该能以其他方式对各位的研究开发工作有所帮助。
　　第2章，总结触觉传感器和触觉显示器设计中的基础知识。在设计过程中，一定要考虑到信息处理和心理效果，所以本章将介绍人类的触觉研究成果。在此基础上简单介绍以往的设计案例，方便读者了解曾经出现过的触觉传感器和触觉显示器设计。
　　第3章，介绍光波导型触觉传感器的设计方法。光波导型触觉传感器形式多样，本章将分别介绍各种形式的原理和设计方案。橡胶触头是触觉传感器的敏感元件，其硬度和形状决定了触觉传感器的性能，在讲解触头的设计方法之后，本章还将介绍怎样根据物体与传感器接触后产生的图像数据计算出触觉数据。同时还会详细介绍图像处理的具体步骤。不仅如此，本章还将讲解制作触觉传感器后对其性能的评价方式。由于评价方式没有统一的规则，本章将从装置的设计说起。*后，本章将通过实例来讲解触觉传感器成品的输出特性。
　　第4章，专门介绍采用双压电晶片型压电致动器阵列的触觉显示器。笔者等人正在通过改造在售的点显器或点阵显示屏来制作触觉显示器，虽然无法从零开始介绍设计方法，但会尽可能介绍设计过程中所需的信息。在讲解产生反作用力的控制器设计时，甚至会涉及控制直流电机的转矩以生成反作用力的原理。同时从电路设计到软件设计介绍压电致动器的控制方法。*后介绍笔者等人设计制作的设备实例。
　　第5章，介绍触觉传感器和触觉显示器应用实例。在触觉传感器部分，先介绍机器人首次成功搭载触觉传感器的操纵控制实例；接下来在触觉显示器部分，将介绍触觉显示器展现出明显优势的虚拟空间内插销入孔和虚拟纹理呈现等。通过实例介绍充分利用错觉现象使原本只能呈现凹凸感的屏幕装置呈现出截然相反的平滑感。同时，从传感器和致动器系统的角度对触觉传感器和触觉显示器的应用方式提出建议，介绍各种感觉呈现的理论基础——格式塔（Gestalt）及其应用方式。*后介绍用于综合表现机器人和人类触觉的触谱。
　　*后，笔者根据以往的经验，再次对触觉传感器和触觉显示器进行整体讲解，并指出便捷和安心才是触觉传感器和触觉显示器*终的研发方向。
　　第2章设计基础

目录
第1章　绪论　1
第2章　设计基础　5
2.1　触觉的原理及触觉传感器和触觉显示器　7
2.1.1　触觉的原理　7
2.1.2　机器人触觉传感器的功能　10
2.1.3　VR触觉显示器的功能　12
2.2　各种机器人触觉传感器　14
2.2.1　压敏导电橡胶　14
2.2.2　静电容量　16
2.2.3　磁性　17
2.2.4　压电效应　18
2.2.5　半导体　19
2.2.6　光与照片　22
2.3　各种VR触觉显示器　25
2.3.1　触觉显示器（haptic display）　25
2.3.2　点阵显示器　30
2.3.3　其他原理的触觉显示器　32
第3章　机器人三轴触觉传感器设计　35
3.1　原理　37
3.1.1　基本结构　37
3.1.2　光分布——力转换　39
3.1.3　圆柱-圆锥触头型　39
3.1.4　触头移动型　41
3.1.5　CT型　42
3.2　触头设计　43
3.2.1　接触变形解析　43
3.2.2　有限单元法的触觉传感器设计　45
3.2.3　接触面积与辉度值的积分值　49
3.3　软件设计　52
3.3.1　处理流程　52
3.3.2　OpenCV　53
3.3.3　重心计算　55
3.3.4　光流（optical flow）　56
3.4　评价装置的设计　57
3.4.1　评价项目　57
3.4.2　评价装置的机器结构　57
3.4.3　评价装置的设计实例　58
3.5　触觉传感器的设计实例　60
3.5.1　传感器结构　60
3.5.2　触头的制造方法　63
3.5.3　敏感特性　64
第4章　VR触觉显示器设计　71
4.1　原理　73
4.1.1　基本结构　73
4.1.2　产生反作用力的原理　76
4.1.3　触觉产生的原理　77
4.2　发生力的设计　78
4.2.1　直流电机　78
4.2.2　直流电机的控制方法　81
4.2.3　压电效应　82
4.2.4　双压电晶片型压电致动器　85
4.3　电路设计　87
4.3.1　PWM　87
4.3.2　压电致动器电路　89
4.3.3　压电致动器的位移可变电路　91
4.4　软件设计　92
4.4.1　程序流程　92
4.4.2　DIO　94
4.4.3　移位寄存器　96
4.4.4　D/A转换器　97
4.5　设计实例　98
4.5.1　搭载夹具的控制器型触觉显示器　98
4.5.2　手指呈现型触觉鼠标　101
4.5.3　手掌呈现型触觉鼠标　105
第5章　应用实例　109
5.1　机器手触觉传感器的应用实例　111
5.1.1　机器人的结构　111
5.1.2　机器人手握纸杯的倒水实验　112
5.1.3　拧瓶盖实验　114
5.1.4　两个元件的组装实验　114
5.1.5　翻纸作业　115
5.2　应用于VR触觉显示器　118
5.2.1　力觉和触觉综合呈现下的虚拟作业　118
5.2.2　形状呈现实验　120
5.2.3　虚拟纹理呈现实验　124
5.2.4　同时呈现压觉和剪力的实验　127
5.2.5　手掌呈现型触觉鼠标的性能检验实验　131
5.3　触觉和力觉的错觉应用实例　134
5.3.1　错触　134
5.3.2　运动错觉　136
5.3.3　假性力触觉　138
5.3.4　天鹅绒错触与光滑呈现　141
5.4　未来应用拓展　142
5.4.1　informotion　142
5.4.2　情绪控制　145
5.4.3　触觉的格式塔（Gestalt）　146
5.4.4　人和机器人的触觉融合　148
参考文献　151
跋　157