基于触觉反馈的农机产品创新设计系统研究

果 霖，李 刚，陈 龙，商 茹，张天会，张天顺

（1.云南农业大学 机电工程学院，云南 昆明 650201；2.昆明理工大学 工业设计系，云南 昆明 650500；3.常州机电职业技术学院 艺术设计学院，江苏 常州 213164）

0 引言

基于触觉反馈的农机产品创新设计系统是以触觉反馈作为设计工具，以快速成型作为核心技术，快速高效开发各种农机新产品的创新设计系统。

人有视觉、听觉、触觉（力觉）、味觉和嗅觉五大感官。在理论上，人类可以利用这五大器官进行人机交互，开展虚拟设计。但是由于味觉和嗅觉通道的信息承载量较小、应用场合也较少，传统上没有给予重视，故研究较少。历史上由于技术上易于突破、应用上方便推广，因此往往把研究的重点放在视觉和听觉上。而实际上在人类的五大感官信息通道中，触觉（力觉）是唯一具有双向信息传递能力的信息载体，借助于虚拟现实系统，设计师不仅可以看到而且可以“触摸”到“虚拟物体”，从而获得和触摸实际物体时相同的力感、接触感和运动感，产生很真实的沉浸感，而且可以直接应用触觉（力觉）以十分自然的方式向计算机发送各种命令来开展设计工作，是一种新型和高效的人机交互方式，受到设计师的欢迎。有研究表明：在有些工作状态中借助触觉通道有力反馈的双向信息交流时的工作效率是仅用图像显示的单向信息交流时的两倍以上[1]。

快速成型技术是一种将CAD模型（电子模型）逐层完成实体原型（物理模型）的先进制造技术，是快速产品开发的核心技术，能够将设计师头脑中的设计构思和计算机中虚拟触摸感的设计产品迅速地转化为具有真实触摸感的产品实体，不仅提高了CAD模型的触摸性和可视性，还可直接进行触摸体验和功能测试[2]。

将触觉反馈与快速成型相结合的创新设计系统既能利用触觉通道具有触摸感和双向信息交流的能力，也能发挥快速成型快速产品开发的功能，在创新设计时具有明显的优越性，已越来越多地受到设计师的重视并被实际应用。

1 触觉反馈虚拟设计

触觉反馈是人体器官特别是皮肤通过虚拟设备与对象物体接触所得到反作用力的感觉，包括力觉、摸觉、压觉、振动觉、压痛觉等，可以产生很真实的沉浸感，体验反作用于人体皮肤上的各种刺激，反映了接触时的各种感觉[3]，从而提供了一种崭新的人机交互界面，让设计师身临其境地体验交互过程中的各种触觉效果[4]。

触觉反馈可以看作是一种有人参与的双向闭环系统。如图1所示，设计师操作PHANTOM触觉反馈设备的末端手柄，控制触觉接口点HIP在工作空间中运动，空间匹配模块将HIP的位姿通过空间匹配算法映射为虚拟环境中的代理点的位姿，因此代理点的位姿可以随HIP的位姿更新；触觉输出模块根据虚拟环境信息和代理点与虚拟环境的交互状态，以不低于每秒1000次的运算速度计算反馈力，并将反馈力发送给触觉反馈设备，触觉反馈设备根据要输出的反馈力的方向和大小驱动电机转动，把要输出的反馈力转化为机械能，从而使操作者能够感受到反馈力，完成虚拟环境中的“触觉输出”。

图1 触觉反馈的双向闭环系统Fig.1 Bidirectional close-loop system of haptic feedback

由图1可以看出，触觉反馈主要包含两个功能模块：空间匹配模块和触觉输出模块。空间匹配模块的功能是将PHANTOM的HIP的位置和姿态匹配到虚拟空间中代理点的位置和姿态，从而使代理点的位置和姿态随HIP的位置和姿态一起改变。触觉输出模块的功能是根据代理点与虚拟环境交互状态实时计算反馈力和反馈力矩，并将其发送给PHANTOM Desktop输出[5]。

2 触觉反馈与快速成型相结合的快速创新设计系统

快速成型是上世纪末发展起来的将激光成型、数字控制、精密伺服驱动、计算机辅助设计、计算机辅助制造和新材料新工艺等集成于一体的先进制造技术，能够按照计算机辅助设计设计完成的产品三维虚拟模型，进行切片分层，得到二维轮廓的各层截面，并且根据这些截面轮廓，选择性地进行加工处理，顺序叠加形成三维实体产品，从而彻底摆脱了传统的“切除”加工方法，实现将电子模型（数字模型）逐层叠加直接制造产品实体或样品原型的新技术新工艺。

快速成型采用了一种全新的 “增材制造”的加工方法，具有许多独特的优点：设计制造一体化（由CAD模型直接驱动）、典型的通用加工设备 （无需专用夹具和工具）、完全自动的成型过程（无人干预或较少干预）、材料适用性强（广泛的材料可选性）、成型速度快（比传统成型方法快得多）、广泛的应用领域（特别适合小批量、不规则或复杂形状产品的设计制造）、良好的经济效益（只需传统加工方法10%～30%的工时和20%～30%的成本），从而成为创新设计的有效工具，快速产品开发的核心技术。

基于触觉反馈和快速成型的创新设计的基本流程如图2所示：设计师的“设计创意”通过“设计构思”得到“概念设计”；通过触觉创新设计系统的“草绘轮廓”得到“初步形态”；通过触觉创新设计系统的“虚拟雕塑”得到“结构造型”；进一步通过“虚拟雕塑”可以得到虚拟空间的“数字原型”；通过“快速成型”得到实体空间的“快速原型”；通过“试生产”得到“产品原型”；最终通过“批量生产”得到“实物产品”。在这个创新设计过程中最引人注目的也是最重要的特点是三个触觉反馈：“数字原型”基础上的“虚拟触觉反馈”、“快速原型”基础上的“快速触觉反馈”和“产品原型”基础上的“实物触觉反馈”。创新设计从构想到成型，直致成熟，是一个由发散趋于收敛的过程，一个反复推敲、逐步修改的过程，需要进行不断的设计反馈、迭代与优化，每一次触觉反馈都在上一次触觉反馈基础上依次展开，通过多次触觉反馈，对触觉设计的细部数据的修改、光滑和增强，最终使顾客满意。

图2 基于触觉反馈和快速成型的创新设计流程示意图Fig．2 Innovation design flowchart of haptic feedback and rapid prototype

基于触觉反馈和快速成型的创新设计的优点并不仅仅是由于成型过程中机器运行速度快而引起的 （诚然快速运行也很重要），根本原因在于整个创新设计过程中由触觉反馈的触摸性所引起的对于设计创意的体验性和启发性，使设计师能够亲身体验和感受设计效果，催化设计创意中的知识发酵，从而发挥创新潜能，反复推敲，优化设计，及时改进。产品创新中的知识，经过实物信化（产品实物的数字化）、数据转换（虚拟原型的代码化）、信息物化（数控代码的快速原型化）和物性转换（物理原型的产品实物化）的四种知识转换，形成了一个完整的知识循环，在从设计到制造的全过程中使设计方案很快趋向完善。

基于触觉反馈和快速成型的创新设计具有稳定性（随着创新过程的向前推移，逐步收敛到创新目标，稳定地回到平衡状态）、快速性（在极短时间内由CAD直接驱动得到产品实物，很快达到创新目标）、准确性（客观地立体地表达出设计者的设计思想和最终用户的实际需求，无论在功能上、视觉上还是触觉上都与设计要求极其接近），能够真正做到顾客满意，具有传统设计方法不可比拟的优越性。

3 应用案例：背负式农用喷雾器的触觉反馈设计

背负式农用喷雾器是农村中常用的植保机械，由于手动、背负、人工加压、肩部受力、劳动强度大，如果工作时接触不佳，舒适性差，容易产生疲劳和损伤，危害到操作者的身体健康和安全，生产效率也低[6]。

随着体验经济时代的到来，人们对产品设计提出了更高的要求，既要求在较短的时间内设计制造出所需功能的产品，也要求产品具有符合人机工程学的个性化舒适性，并希望亲身参加使用体验。现用触觉反馈与快速成型相结合的创新设计系统进行设计。

3.1 初步形态设计

使用触感笔点击construct clay下的wire cut工具，在空间中选中平面内新建矩形，编辑命令栏距离为460mm，生成初步箱体形态。

使用detail clay层级下的variable round edge（导圆角）图表，将触感笔深入形体内部，沿上折边按下触感笔按钮旋转一周，产生以下效果，并编辑倒角为12mm，产生倒角，如图3所示。

使用 select/move clay下的 select clay with plane，将箱体分割成上下两个部分。继续使用wire cut工具编辑分割出来的形态，并使用对称工具将底座做成对称形态。使用draw curves底座的上端画线一周，使用detail clay下emboss with curves生成一周突出的圈状形态，如图4所示。

图3 箱体倒角Fig.3 Fillet of the box

图4 箱体底座Fig.4 Bottom of the box

3.2 结构造型设计

使用 wire cut工具，在箱体的顶端，制作出箱孔，左边的箱孔下有细颈形态，为两次成型。

使用wire cut工具的增加与减去功能，在新图层中生成如图所示的形态，使用sculpt clay下的刮刀工具，刮出如图5所示的倒角形态。使用wire cut工具继续制作细节。

箱体形态基本建立完毕，但此时的形态还为实心状态，点击mold下的shell图标，勾选smooth core选项，生成空心的箱体。利用wire cut制作出开孔的箱孔、提杆。至此箱体形态制作完毕，如图6所示。

图5 箱体细节制作Fig.5 Producing detail of the box

图6 箱体完整形态Fig.6 Integrity form of the box

利用spin clay工具制作瓶口盖子，并利用螺旋线工具制作盖子内部的螺纹。使用sketch命令在箱体的前方画出压杆的线稿，将平面线转化为空间线，再使用pipe工具，设置圆管的直径为25mm，生成了压杆形态。在利用同样的方法制作压杆上端的手握部分，最后将两个部分合并为一个图层，利用移动黏土工具移动到正确的位置，如图7所示。

图7 箱盖、压杆部分形态Fig.7 Partial form of the box and strut

使用wire cut工具，利用空间线条绘制方法，制作喷雾器的背带，再使用相同的方法制作出喷雾器的喷杆，软管等部分。最终“数字原型”，如图8所示。

图8 喷雾器数字原型Fig.8 Digital model of sprayer

3.3 虚拟触觉反馈

导入符合人机工程学尺寸的使用者人体模型，将制作好的喷雾器模型移动至人体的肩部，调整至符合实际的使用状态，如图9所示。

图9 人体模型导入Fig.9 Leading-in human body

使用Deform Clay，将变形盒子box的节点调整为垂直方向6个，为了达到喷雾器前部造型更好地贴合人体腰部曲线的目的，调整喷雾器造型，使其贴合人体背部自然生理曲线，形成较大的接触面积，减轻人体在背负产品工作时所带来的腰部酸痛等问题，如图10所示。

图10 人机化形态调整Fig.10 Adjusting of man-machine form

3.4 快速触觉反馈

在虚拟触觉反馈的基础上，应用快速成型技术对虚拟数字模型进行数字化切片处理，采用层层叠加的方式制成快速原型，可以真实地显示出新设计的喷雾器实体形象。快速成型的喷雾器原型，是实实在在的看得见、摸得到的实体形态，任何人接触后都一目了然，具有真实性、说明性、普及性，提供了一个形象的直观的准确的交流语言，设计人员和使用人员能够通过对快速原型的视觉、触觉分析比较，进行评估，反馈材、型、色信息和意见。

快速触觉反馈提供了可观并可触的实物，具有精度高、周期短、一次成型、高度自动化、适宜形体复杂等特点，弥补了虚拟触觉反馈纯粹虚拟造型不能真实触摸的缺陷；作为设计信息的反馈控制，可以起到知识酶的催化作用，能够促进快速的知识迭代发酵，从而获得满意的设计解。

3.5 实物触觉反馈

在生产制造阶段和在市场销售阶段，实物触觉反馈有实质性的作用和意义：批量生产时，其产品与设计模型之间具有一一对应的关系，需要进行结构设计验证与装配验证，必须设计、加工制造模具，实物触觉反馈更适合反馈可制造性、可装配性信息。现场销售时，客户总是乐意亲身体验产品的人机界面，对符合人机工程学的舒适性“评头论足”、“指手划脚”，提出对产品的修改意见，因此实物触觉反馈成为设计制造商与客户交流沟通的基本条件。

4 结束语

（1）触觉反馈是人体器官通过虚拟设备与对象物体接触所得到反作用力的感觉，从而提供了一种崭新的人机交互界面，能够让设计师身临其境地体验交互过程中的各种触觉效果，并开展新型的触觉设计。

（2）快速成型是计算机辅助设计与制造集成于一体的先进制造技术，基于触觉反馈和快速成型的创新设计的基本流程最重要的特点是包括三个触觉反馈：虚拟触觉反馈、快速触觉反馈和实物触觉反馈。

（3）基于触觉反馈的农机产品创新设计系统是以触觉反馈作为设计工具，以快速成型作为核心技术，快速高效开发各种农机新产品的创新设计系统，其突出的优点是快速的触觉反馈所引起的对于设计创意的体验性和启发性。

（4）背负式农用喷雾器触觉反馈设计应用案例介绍了基于触觉反馈的农机产品创新设计系统的应用。