基于觸覺反饋的農機產品創新設計系統研究

果 霖，李 剛，陳 龍，商 茹，張天會，張天順

（1.云南農業大學 機電工程學院，云南 昆明 650201；2.昆明理工大學 工業設計系，云南 昆明 650500；3.常州機電職業技術學院 藝術設計學院，江蘇 常州 213164）

0 引言

基于觸覺反饋的農機產品創新設計系統是以觸覺反饋作為設計工具，以快速成型作為核心技術，快速高效開發各種農機新產品的創新設計系統。

人有視覺、聽覺、觸覺（力覺）、味覺和嗅覺五大感官。在理論上，人類可以利用這五大器官進行人機交互，開展虛擬設計。但是由于味覺和嗅覺通道的信息承載量較小、應用場合也較少，傳統上沒有給予重視，故研究較少。歷史上由于技術上易于突破、應用上方便推廣，因此往往把研究的重點放在視覺和聽覺上。而實際上在人類的五大感官信息通道中，觸覺（力覺）是唯一具有雙向信息傳遞能力的信息載體，借助于虛擬現實系統，設計師不僅可以看到而且可以“觸摸”到“虛擬物體”，從而獲得和觸摸實際物體時相同的力感、接觸感和運動感，產生很真實的沉浸感，而且可以直接應用觸覺（力覺）以十分自然的方式向計算機發送各種命令來開展設計工作，是一種新型和高效的人機交互方式，受到設計師的歡迎。有研究表明：在有些工作狀態中借助觸覺通道有力反饋的雙向信息交流時的工作效率是僅用圖像顯示的單向信息交流時的兩倍以上[1]。

快速成型技術是一種將CAD模型（電子模型）逐層完成實體原型（物理模型）的先進制造技術，是快速產品開發的核心技術，能夠將設計師頭腦中的設計構思和計算機中虛擬觸摸感的設計產品迅速地轉化為具有真實觸摸感的產品實體，不僅提高了CAD模型的觸摸性和可視性，還可直接進行觸摸體驗和功能測試[2]。

將觸覺反饋與快速成型相結合的創新設計系統既能利用觸覺通道具有觸摸感和雙向信息交流的能力，也能發揮快速成型快速產品開發的功能，在創新設計時具有明顯的優越性，已越來越多地受到設計師的重視并被實際應用。

1 觸覺反饋虛擬設計

觸覺反饋是人體器官特別是皮膚通過虛擬設備與對象物體接觸所得到反作用力的感覺，包括力覺、摸覺、壓覺、振動覺、壓痛覺等，可以產生很真實的沉浸感，體驗反作用于人體皮膚上的各種刺激，反映了接觸時的各種感覺[3]，從而提供了一種嶄新的人機交互界面，讓設計師身臨其境地體驗交互過程中的各種觸覺效果[4]。

觸覺反饋可以看作是一種有人參與的雙向閉環系統。如圖1所示，設計師操作PHANTOM觸覺反饋設備的末端手柄，控制觸覺接口點HIP在工作空間中運動，空間匹配模塊將HIP的位姿通過空間匹配算法映射為虛擬環境中的代理點的位姿，因此代理點的位姿可以隨HIP的位姿更新；觸覺輸出模塊根據虛擬環境信息和代理點與虛擬環境的交互狀態，以不低于每秒1000次的運算速度計算反饋力，并將反饋力發送給觸覺反饋設備，觸覺反饋設備根據要輸出的反饋力的方向和大小驅動電機轉動，把要輸出的反饋力轉化為機械能，從而使操作者能夠感受到反饋力，完成虛擬環境中的“觸覺輸出”。

圖1 觸覺反饋的雙向閉環系統Fig.1 Bidirectional close-loop system of haptic feedback

由圖1可以看出，觸覺反饋主要包含兩個功能模塊：空間匹配模塊和觸覺輸出模塊。空間匹配模塊的功能是將PHANTOM的HIP的位置和姿態匹配到虛擬空間中代理點的位置和姿態，從而使代理點的位置和姿態隨HIP的位置和姿態一起改變。觸覺輸出模塊的功能是根據代理點與虛擬環境交互狀態實時計算反饋力和反饋力矩，并將其發送給PHANTOM Desktop輸出[5]。

2 觸覺反饋與快速成型相結合的快速創新設計系統

快速成型是上世紀末發展起來的將激光成型、數字控制、精密伺服驅動、計算機輔助設計、計算機輔助制造和新材料新工藝等集成于一體的先進制造技術，能夠按照計算機輔助設計設計完成的產品三維虛擬模型，進行切片分層，得到二維輪廓的各層截面，并且根據這些截面輪廓，選擇性地進行加工處理，順序疊加形成三維實體產品，從而徹底擺脫了傳統的“切除”加工方法，實現將電子模型（數字模型）逐層疊加直接制造產品實體或樣品原型的新技術新工藝。

快速成型采用了一種全新的 “增材制造”的加工方法，具有許多獨特的優點：設計制造一體化（由CAD模型直接驅動）、典型的通用加工設備 （無需專用夾具和工具）、完全自動的成型過程（無人干預或較少干預）、材料適用性強（廣泛的材料可選性）、成型速度快（比傳統成型方法快得多）、廣泛的應用領域（特別適合小批量、不規則或復雜形狀產品的設計制造）、良好的經濟效益（只需傳統加工方法10%～30%的工時和20%～30%的成本），從而成為創新設計的有效工具，快速產品開發的核心技術。

基于觸覺反饋和快速成型的創新設計的基本流程如圖2所示：設計師的“設計創意”通過“設計構思”得到“概念設計”；通過觸覺創新設計系統的“草繪輪廓”得到“初步形態”；通過觸覺創新設計系統的“虛擬雕塑”得到“結構造型”；進一步通過“虛擬雕塑”可以得到虛擬空間的“數字原型”；通過“快速成型”得到實體空間的“快速原型”；通過“試生產”得到“產品原型”；最終通過“批量生產”得到“實物產品”。在這個創新設計過程中最引人注目的也是最重要的特點是三個觸覺反饋：“數字原型”基礎上的“虛擬觸覺反饋”、“快速原型”基礎上的“快速觸覺反饋”和“產品原型”基礎上的“實物觸覺反饋”。創新設計從構想到成型，直致成熟，是一個由發散趨于收斂的過程，一個反復推敲、逐步修改的過程，需要進行不斷的設計反饋、迭代與優化，每一次觸覺反饋都在上一次觸覺反饋基礎上依次展開，通過多次觸覺反饋，對觸覺設計的細部數據的修改、光滑和增強，最終使顧客滿意。

圖2 基于觸覺反饋和快速成型的創新設計流程示意圖Fig．2 Innovation design flowchart of haptic feedback and rapid prototype

基于觸覺反饋和快速成型的創新設計的優點并不僅僅是由于成型過程中機器運行速度快而引起的 （誠然快速運行也很重要），根本原因在于整個創新設計過程中由觸覺反饋的觸摸性所引起的對于設計創意的體驗性和啟發性，使設計師能夠親身體驗和感受設計效果，催化設計創意中的知識發酵，從而發揮創新潛能，反復推敲，優化設計，及時改進。產品創新中的知識，經過實物信化（產品實物的數字化）、數據轉換（虛擬原型的代碼化）、信息物化（數控代碼的快速原型化）和物性轉換（物理原型的產品實物化）的四種知識轉換，形成了一個完整的知識循環，在從設計到制造的全過程中使設計方案很快趨向完善。

基于觸覺反饋和快速成型的創新設計具有穩定性（隨著創新過程的向前推移，逐步收斂到創新目標，穩定地回到平衡狀態）、快速性（在極短時間內由CAD直接驅動得到產品實物，很快達到創新目標）、準確性（客觀地立體地表達出設計者的設計思想和最終用戶的實際需求，無論在功能上、視覺上還是觸覺上都與設計要求極其接近），能夠真正做到顧客滿意，具有傳統設計方法不可比擬的優越性。

3 應用案例：背負式農用噴霧器的觸覺反饋設計

背負式農用噴霧器是農村中常用的植保機械，由于手動、背負、人工加壓、肩部受力、勞動強度大，如果工作時接觸不佳，舒適性差，容易產生疲勞和損傷，危害到操作者的身體健康和安全，生產效率也低[6]。

隨著體驗經濟時代的到來，人們對產品設計提出了更高的要求，既要求在較短的時間內設計制造出所需功能的產品，也要求產品具有符合人機工程學的個性化舒適性，并希望親身參加使用體驗。現用觸覺反饋與快速成型相結合的創新設計系統進行設計。

3.1 初步形態設計

使用觸感筆點擊construct clay下的wire cut工具，在空間中選中平面內新建矩形，編輯命令欄距離為460mm，生成初步箱體形態。

使用detail clay層級下的variable round edge（導圓角）圖表，將觸感筆深入形體內部，沿上折邊按下觸感筆按鈕旋轉一周，產生以下效果，并編輯倒角為12mm，產生倒角，如圖3所示。

使用 select/move clay下的 select clay with plane，將箱體分割成上下兩個部分。繼續使用wire cut工具編輯分割出來的形態，并使用對稱工具將底座做成對稱形態。使用draw curves底座的上端畫線一周，使用detail clay下emboss with curves生成一周突出的圈狀形態，如圖4所示。

圖3 箱體倒角Fig.3 Fillet of the box

圖4 箱體底座Fig.4 Bottom of the box

3.2 結構造型設計

使用 wire cut工具，在箱體的頂端，制作出箱孔，左邊的箱孔下有細頸形態，為兩次成型。

使用wire cut工具的增加與減去功能，在新圖層中生成如圖所示的形態，使用sculpt clay下的刮刀工具，刮出如圖5所示的倒角形態。使用wire cut工具繼續制作細節。

箱體形態基本建立完畢，但此時的形態還為實心狀態，點擊mold下的shell圖標，勾選smooth core選項，生成空心的箱體。利用wire cut制作出開孔的箱孔、提桿。至此箱體形態制作完畢，如圖6所示。

圖5 箱體細節制作Fig.5 Producing detail of the box

圖6 箱體完整形態Fig.6 Integrity form of the box

利用spin clay工具制作瓶口蓋子，并利用螺旋線工具制作蓋子內部的螺紋。使用sketch命令在箱體的前方畫出壓桿的線稿，將平面線轉化為空間線，再使用pipe工具，設置圓管的直徑為25mm，生成了壓桿形態。在利用同樣的方法制作壓桿上端的手握部分，最后將兩個部分合并為一個圖層，利用移動黏土工具移動到正確的位置，如圖7所示。

圖7 箱蓋、壓桿部分形態Fig.7 Partial form of the box and strut

使用wire cut工具，利用空間線條繪制方法，制作噴霧器的背帶，再使用相同的方法制作出噴霧器的噴桿，軟管等部分。最終“數字原型”，如圖8所示。

圖8 噴霧器數字原型Fig.8 Digital model of sprayer

3.3 虛擬觸覺反饋

導入符合人機工程學尺寸的使用者人體模型，將制作好的噴霧器模型移動至人體的肩部，調整至符合實際的使用狀態，如圖9所示。

圖9 人體模型導入Fig.9 Leading-in human body

使用Deform Clay，將變形盒子box的節點調整為垂直方向6個，為了達到噴霧器前部造型更好地貼合人體腰部曲線的目的，調整噴霧器造型，使其貼合人體背部自然生理曲線，形成較大的接觸面積，減輕人體在背負產品工作時所帶來的腰部酸痛等問題，如圖10所示。

圖10 人機化形態調整Fig.10 Adjusting of man-machine form

3.4 快速觸覺反饋

在虛擬觸覺反饋的基礎上，應用快速成型技術對虛擬數字模型進行數字化切片處理，采用層層疊加的方式制成快速原型，可以真實地顯示出新設計的噴霧器實體形象。快速成型的噴霧器原型，是實實在在的看得見、摸得到的實體形態，任何人接觸后都一目了然，具有真實性、說明性、普及性，提供了一個形象的直觀的準確的交流語言，設計人員和使用人員能夠通過對快速原型的視覺、觸覺分析比較，進行評估，反饋材、型、色信息和意見。

快速觸覺反饋提供了可觀并可觸的實物，具有精度高、周期短、一次成型、高度自動化、適宜形體復雜等特點，彌補了虛擬觸覺反饋純粹虛擬造型不能真實觸摸的缺陷；作為設計信息的反饋控制，可以起到知識酶的催化作用，能夠促進快速的知識迭代發酵，從而獲得滿意的設計解。

3.5 實物觸覺反饋

在生產制造階段和在市場銷售階段，實物觸覺反饋有實質性的作用和意義：批量生產時，其產品與設計模型之間具有一一對應的關系，需要進行結構設計驗證與裝配驗證，必須設計、加工制造模具，實物觸覺反饋更適合反饋可制造性、可裝配性信息。現場銷售時，客戶總是樂意親身體驗產品的人機界面，對符合人機工程學的舒適性“評頭論足”、“指手劃腳”，提出對產品的修改意見，因此實物觸覺反饋成為設計制造商與客戶交流溝通的基本條件。

4 結束語

（1）觸覺反饋是人體器官通過虛擬設備與對象物體接觸所得到反作用力的感覺，從而提供了一種嶄新的人機交互界面，能夠讓設計師身臨其境地體驗交互過程中的各種觸覺效果，并開展新型的觸覺設計。

（2）快速成型是計算機輔助設計與制造集成于一體的先進制造技術，基于觸覺反饋和快速成型的創新設計的基本流程最重要的特點是包括三個觸覺反饋：虛擬觸覺反饋、快速觸覺反饋和實物觸覺反饋。

（3）基于觸覺反饋的農機產品創新設計系統是以觸覺反饋作為設計工具，以快速成型作為核心技術，快速高效開發各種農機新產品的創新設計系統，其突出的優點是快速的觸覺反饋所引起的對于設計創意的體驗性和啟發性。

（4）背負式農用噴霧器觸覺反饋設計應用案例介紹了基于觸覺反饋的農機產品創新設計系統的應用。