基于視嗅覺認(rèn)知的虛擬嗅覺生成裝置

楊文珍　吳新麗　余　嶺　祝盼飛

浙江理工大學(xué)，杭州，310018

基于視嗅覺認(rèn)知的虛擬嗅覺生成裝置

楊文珍吳新麗余嶺祝盼飛

浙江理工大學(xué)，杭州，310018

研發(fā)了一種基于視嗅覺認(rèn)知的虛擬嗅覺生成裝置，可用于虛擬環(huán)境中視嗅覺融合認(rèn)知的人機(jī)交互，該裝置由機(jī)械本體及其控制系統(tǒng)組成，可單獨(dú)或同時(shí)輸出3種氣味。首先，分析按壓氣味瓶所需的作用力，設(shè)計(jì)定量送氣機(jī)構(gòu)，并研制裝置的機(jī)械本體;然后,依據(jù)裝置的驅(qū)動(dòng)部件和視嗅覺交互界面，開發(fā)基于串口通信的控制系統(tǒng)。初步實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所研制的虛擬嗅覺生成裝置在響應(yīng)時(shí)間和控制精度等方面都能滿足用戶需求，可為虛擬環(huán)境提供逼真的視嗅覺感知。

虛擬嗅覺；氣味生成裝置；視嗅覺融合；人機(jī)交互

0　引言

虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的嗅覺感知是讓用戶在虛擬的環(huán)境里聞到真實(shí)的氣味[1]。在虛擬環(huán)境中，視覺、聽覺、觸覺和力覺都無(wú)法替代嗅覺的作用，嗅覺感知是虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)不可或缺的重要組成部分[2]。目前，3D視覺感知和立體音效的聽覺感知已能滿足虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的需求，觸力覺感知的研究也取得了較大進(jìn)展，但嗅覺感知卻是虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)領(lǐng)域的研究難題，是虛擬現(xiàn)實(shí)研究領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[3-4]。

東京大學(xué)的Haruka等為了呈現(xiàn)氣流以及氣味的空間分布，設(shè)計(jì)了一套MSF混合感覺呈現(xiàn)器[5]，氣味蒸汽通過(guò)管子和一個(gè)頭戴式耳機(jī)傳遞給用戶，該裝置能夠準(zhǔn)確地產(chǎn)生氣味，并且迅速進(jìn)行氣味切換，但是不能很好地控制流量。Kadowaki等[6]設(shè)計(jì)了一種卡基式的氣味發(fā)生器，該裝置可以避免機(jī)械裝置產(chǎn)生氣味時(shí)的噪聲影響。Trisenx公司在2003年發(fā)布了一種氣味包系統(tǒng)裝置，用戶可以用任意量的氣味來(lái)混合產(chǎn)生不同種類的新氣味，這款裝置的缺點(diǎn)在于不能在可視化的虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中把氣味直接呈現(xiàn)給用戶[7]。Hoshino等[8]設(shè)計(jì)了一套觸覺和嗅覺相結(jié)合的感知系統(tǒng)，該裝置能夠設(shè)置噴發(fā)氣味的種類、噴發(fā)的持續(xù)時(shí)間和噴發(fā)強(qiáng)度，但是在氣味清除方面效果不夠理想。Ohtsu等[9-10]、Kadowaki等[11]研發(fā)了一種新型的噴墨式氣味呈現(xiàn)裝置，通過(guò)不斷地進(jìn)行電子拋射在短時(shí)間內(nèi)發(fā)出一種氣味，使得系統(tǒng)能夠分析傳送的氣味并顯示出作為氣味元素在混合物中的比例。該裝置的缺點(diǎn)是不能控制氣味的輸出量。Ariyakul等[12]研發(fā)了一款新型的虛擬嗅覺氣味呈現(xiàn)裝置，它使用嗅覺傳感系統(tǒng)來(lái)確定氣味，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將氣味信息傳送到遠(yuǎn)處，然后用氣味發(fā)生裝置將氣味信息轉(zhuǎn)化為真實(shí)的氣味。孟憲宇等[13]研究并實(shí)現(xiàn)了一種人工魚的虛擬嗅覺系統(tǒng)。劉振宇等[14]研究了人工嗅覺在物質(zhì)識(shí)別中的應(yīng)用，對(duì)一些表現(xiàn)出香氣的物質(zhì)進(jìn)行了定性識(shí)別，對(duì)不同濃度的物質(zhì)進(jìn)行了定量判斷。

綜上所述，目前傳統(tǒng)的虛擬嗅覺氣味生成裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于操作，但是在氣味濃度、氣味散發(fā)速度方面，傳統(tǒng)裝置只注重了氣味的散發(fā)，只要用戶能夠聞到氣味即可，并沒有在量和度上進(jìn)行深究，并且大多數(shù)裝置都只考慮了嗅覺感知這方面。本文研發(fā)了一種基于視嗅覺認(rèn)知的虛擬嗅覺生成裝置，它可在虛擬環(huán)境中讓用戶看到圖片的時(shí)候，定量、定向地發(fā)生相應(yīng)種類的氣味，該裝置在響應(yīng)時(shí)間和控制精度等方面都能滿足用戶需求，可用于虛擬環(huán)境中的視嗅覺認(rèn)知交互實(shí)驗(yàn)。

1　虛擬嗅覺氣味生成裝置的機(jī)械本體

1.1整體結(jié)構(gòu)

虛擬嗅覺氣味生成裝置主要由定向送氣機(jī)構(gòu)、定量排氣結(jié)構(gòu)和支撐外殼結(jié)構(gòu)組成，如圖1所示。定向送氣機(jī)構(gòu)和定量排氣機(jī)構(gòu)分別安裝在外殼上；定量排氣機(jī)構(gòu)通過(guò)步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)絲杠直線運(yùn)動(dòng)，按壓氣味瓶，定量噴出氣味；定向送氣機(jī)構(gòu)通過(guò)風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)把氣味沿外殼的送氣管吹出。裝置通過(guò)步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)絲杠直線運(yùn)動(dòng)，按壓氣味瓶可以實(shí)現(xiàn)氣味的定量輸出，通過(guò)定向送氣機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)氣味的定向輸出，此裝置可以實(shí)現(xiàn)三種氣味的生成和傳輸，為虛擬現(xiàn)實(shí)嗅覺感知的人機(jī)交互提供硬件支持。

1.墊腳　2.定向送氣機(jī)構(gòu)　3.支撐外殼結(jié)構(gòu)4.絲杠螺母同步裝置　5.定量排氣機(jī)構(gòu)　6.氣味瓶調(diào)節(jié)件圖1　虛擬嗅覺氣味生成裝置模型

1.2定量送氣機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)設(shè)計(jì)

1.2.1手指按壓力測(cè)量

根據(jù)氣味噴出要求，利用美國(guó)Tekscan公司開發(fā)研制的握力壓力分布測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量出噴發(fā)氣味時(shí)所需要的按壓力，用大拇指進(jìn)行按壓實(shí)驗(yàn)，測(cè)出按壓時(shí)所需的壓力和時(shí)間分布圖。在氣味瓶噴發(fā)氣味的過(guò)程中，瞬時(shí)壓力達(dá)到8.64 N，考慮到其他不確定因素，本文取壓力值F1=9 N。

1.2.2步進(jìn)電機(jī)選型

根據(jù)測(cè)量出的瞬時(shí)壓力以及下壓件和螺母的重量G，絲杠螺母同步裝置和步進(jìn)電機(jī)安裝支架的摩擦力f，計(jì)算出步進(jìn)電機(jī)在下壓氣味瓶時(shí)所需要的最大輸出力矩M。

在摩擦力無(wú)偏載的情況下，螺母軸向傳動(dòng)力F與力矩M的關(guān)系如下：

F=2πM η/S

(1)

式中，S為絲杠導(dǎo)程，取0.008m；η為絲杠傳動(dòng)效率，查表得0.3～0.6，取0.6，這樣能夠保證在輸出力矩最小的情況下滿足要求。

當(dāng)步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)下壓件下壓噴發(fā)香味時(shí)，需要的輸出力矩最大，此時(shí)合力F為

F=F1+f-G

(2)

f=μ FN

(3)

FN=mr ω2

(4)

式中，G為螺母和下壓件的重力，約為0.98N；f為絲杠螺母同步裝置和步進(jìn)電機(jī)安裝支架的摩擦力；μ為絲杠螺母同步裝置和步進(jìn)電機(jī)安裝支架的摩擦因數(shù)(鋼和木材)，查表為0.15～0.25，取0.25；FN為絲杠螺母同步裝置和步進(jìn)電機(jī)安裝支架的正壓力；m為螺母和下壓件的質(zhì)量，取0.1kg；r為下壓件中心到絲杠螺母同步裝置和步進(jìn)電機(jī)安裝支架的接觸點(diǎn)距離，經(jīng)測(cè)量為36mm；ω為電機(jī)軸的角速度，取94.2rad/s。

將選定參數(shù)值代入式(3)和式(4)，求得f=7.99N。將f值以及按壓氣味瓶壓力值F1代入式(2)，得到F=16.01N。將F代入式(1)，求得M=0.034N·m。因此，理論上電機(jī)要輸出0.034N·m的力矩，才能讓氣味瓶噴發(fā)氣味。

步進(jìn)電機(jī)主要包括反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)、永磁式步進(jìn)電機(jī)和混合式步進(jìn)電機(jī)三種。根據(jù)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的校核以及幾種步進(jìn)電機(jī)優(yōu)缺點(diǎn)的比較，本文選用混合式步進(jìn)電機(jī)，其型號(hào)為42HD0401，同時(shí)根據(jù)電機(jī)的尺寸選用了步進(jìn)電機(jī)固定支座，在其額定條件下功率與輸出力矩的關(guān)系為

P=UI=2πnM/60

(5)

當(dāng)轉(zhuǎn)速n取900r/min時(shí)，可求得其輸出力矩M=0.20N·m，能滿足氣味瓶噴發(fā)氣味所需的壓力要求。

1.2.3電機(jī)行程的確定

利用絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)將步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為下壓件的直線運(yùn)動(dòng)，從而達(dá)到下壓件按壓氣味瓶噴發(fā)氣味的目的，下壓件和絲杠固定為一個(gè)整體，絲杠螺母在電機(jī)軸上運(yùn)動(dòng)。通過(guò)單片機(jī)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速、正反轉(zhuǎn)等進(jìn)行精確控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)下壓件上下行程的精確控制。

根據(jù)設(shè)定的轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間，計(jì)算出絲杠螺母運(yùn)動(dòng)的理論行程l和所產(chǎn)生的脈沖數(shù)：

l=QS

(6)

S=hP

(7)

Q=KΔ/360°

(8)

H=d/T

(9)

其中，S為絲杠導(dǎo)程；Q為所需轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù)；h為線數(shù)，取h=4；P為螺距，取P=2mm；H為所產(chǎn)生的脈沖數(shù)；Δ為步進(jìn)電機(jī)的步矩角，取Δ=1.8°；d為設(shè)定的時(shí)間，取d=1s；T為設(shè)定的脈沖產(chǎn)生周期，取T=3.2×10-4s。

將上述數(shù)據(jù)代入到式(7)中，計(jì)算得S=8mm；將數(shù)據(jù)代入式(8)、式(9)，計(jì)算得Q=15.625；代入式(6)中，計(jì)算得l=125 mm。

1.3物理樣機(jī)的制作

將下壓件、螺母、螺母防失步構(gòu)件以及步進(jìn)電機(jī)等通過(guò)螺釘?shù)冗B接方式安裝到各自的位置，完成虛擬嗅覺氣味生成裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)部分的裝配，如圖2所示。

圖2　虛擬嗅覺氣味生成裝置的物理樣機(jī)

2　基于視嗅覺認(rèn)知的虛擬嗅覺生成裝置的總體設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)虛擬嗅覺氣味生成裝置原型樣機(jī)的定量排氣、定量送氣等功能，本節(jié)進(jìn)行基于視覺認(rèn)知虛擬嗅覺氣味生成裝置總體設(shè)計(jì)。如圖3所示，設(shè)計(jì)可分為兩個(gè)階段，一是預(yù)處理階段，顯示輸出的圖片的導(dǎo)入、連接端口的設(shè)置；二是虛擬嗅覺氣味生成裝置的在線仿真階段，包括PC端交互、視覺輸出、嗅覺氣味輸出。在該系統(tǒng)中預(yù)處理是仿真的基礎(chǔ)，在線仿真是虛擬嗅覺仿真系統(tǒng)的核心。

圖3　基于視嗅覺認(rèn)知的虛擬嗅覺生成裝置基本框架

2.1控制系統(tǒng)構(gòu)成

采用基于URAT的串口通信，PC機(jī)自動(dòng)給單片機(jī)發(fā)送一組控制數(shù)據(jù)，單片機(jī)接收控制數(shù)據(jù)，控制相應(yīng)步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)虛擬嗅覺氣味生成裝置中香味的噴發(fā)，實(shí)現(xiàn)PC機(jī)與主控制器的URAT串口通信以及由PC機(jī)控制虛擬嗅覺氣味生成裝置香味的噴發(fā)。系統(tǒng)控制流程如圖4所示。

圖4　虛擬嗅覺氣味生成裝置控制系統(tǒng)控制流程

2.2基于LabVIEW的串口通信

為了實(shí)現(xiàn)PC機(jī)與主控制器的串口通信，在LabVIEW軟件環(huán)境下進(jìn)行PC端程序的開發(fā)。串口通信函數(shù)主要包括配置串口、VISA寫入、VISA讀取和VISA串口字節(jié)數(shù)屬性、VISA設(shè)置I/O緩沖區(qū)函數(shù)、VISA關(guān)閉函數(shù)等[15]。首先，將串口配置為：波特率9600 bit/s，檢驗(yàn)方式none，停止位10，超時(shí)時(shí)間10 s，終止符0Xa，啟用終止符布爾運(yùn)算。接著，調(diào)用VISA寫入函數(shù)。在VISA寫入函數(shù)中，設(shè)定寫入的內(nèi)容以及寫入的條件等。通過(guò)按鍵觸發(fā)的方式來(lái)寫入需要發(fā)送的字符串，即當(dāng)鼠標(biāo)點(diǎn)擊按鍵時(shí)，VISA寫入函數(shù)將寫入的內(nèi)容發(fā)送給數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，等待主控制器的接收。最后，調(diào)用VISA關(guān)閉函數(shù)，結(jié)束串口通信。

2.2.1傳送的數(shù)據(jù)格式

異步通信方式中完整的字符包括起始位、數(shù)據(jù)位、奇偶校驗(yàn)位和停止位，在程序中根據(jù)通信協(xié)議設(shè)置起始位、數(shù)據(jù)位、奇偶校驗(yàn)位以及停止位。本文中程序起始位為0位，數(shù)據(jù)位為8位，無(wú)奇偶校驗(yàn)位，停止位為1位。

2.2.2波特率的確定

主控制器C8051F340提供了兩個(gè)具有擴(kuò)展波特率配置的全雙工UART，分別為UART0和UART1。本文采用UART0作為PC機(jī)與主控制器的串口通信接口。UART0波特率由定時(shí)器1工作在8位自動(dòng)重裝載方式產(chǎn)生。本文通過(guò)配置接收時(shí)鐘RX對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行接收，查C8051F340數(shù)據(jù)手冊(cè)，可以得到UART0的波特率如下：

(10)

其中，T1CLK為定時(shí)器T1的時(shí)鐘頻率；T1H為定時(shí)器1的高字節(jié)(重載值)，查波特率配置標(biāo)準(zhǔn)表得T1H為0X64，T1CLK為3 MHz,將定時(shí)器1的高字節(jié)轉(zhuǎn)化為十進(jìn)制數(shù)值代入到式(10)中求得傳輸?shù)牟ㄌ芈蕿?615 bit/s，取9600 bit/s。

2.3基于視嗅覺認(rèn)知的虛擬嗅覺交互界面設(shè)計(jì)

PC端起始交互界面如圖5所示，此時(shí)電機(jī)未啟動(dòng)。當(dāng)點(diǎn)擊蘋果按鈕時(shí),電機(jī)2開始轉(zhuǎn)動(dòng)，擠壓香水瓶噴出相應(yīng)氣味。其他如柑橘、水蜜桃等按鍵功能類似。當(dāng)點(diǎn)擊關(guān)按鈕時(shí)，此時(shí)電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，不再噴出氣味。

圖5　交互界面

2.4系統(tǒng)調(diào)試

在PC機(jī)上使用串口調(diào)試助手實(shí)現(xiàn)PC機(jī)與控制板之間的通信，發(fā)送的數(shù)據(jù)包包括3個(gè)步進(jìn)電機(jī)的數(shù)據(jù)以及校驗(yàn)碼。3個(gè)步進(jìn)電機(jī)的數(shù)據(jù)根據(jù)虛擬嗅覺氣味生成裝置中下壓件的動(dòng)作自定義，然后將3個(gè)步進(jìn)電機(jī)的數(shù)據(jù)經(jīng)CRC16校驗(yàn)軟件計(jì)算得到校驗(yàn)碼，并附加在3個(gè)電機(jī)數(shù)據(jù)的末尾，使其符合通信協(xié)議，通過(guò)串口調(diào)試助手將數(shù)據(jù)發(fā)送給控制電路板。通過(guò)PC機(jī)的控制，波特率設(shè)置為9600 bit/s，無(wú)奇偶校驗(yàn)位，數(shù)據(jù)位為8位，停止位為1位，在發(fā)送區(qū)內(nèi)輸入關(guān)于虛擬嗅覺氣味生成裝置的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)包，因通信協(xié)議為十六進(jìn)制數(shù)據(jù)，所以在點(diǎn)擊發(fā)送前先選擇發(fā)送格式，再通過(guò)點(diǎn)擊手動(dòng)發(fā)送來(lái)實(shí)現(xiàn)虛擬嗅覺氣味生成裝置的運(yùn)行。

3　性能測(cè)試

3.1響應(yīng)時(shí)間

系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間是指輸入信號(hào)狀態(tài)變化時(shí)刻到由此而使輸出信號(hào)狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)刻的間隔時(shí)間。本文所指的系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間為點(diǎn)擊圖片到電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)開始噴發(fā)氣味之間的時(shí)間間隔，它包含了PC機(jī)系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間、URAT串口通信時(shí)間和主控制器響應(yīng)時(shí)間以及下壓件向下運(yùn)行時(shí)間，文獻(xiàn)[16]研究成果表明系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間在0.25 ～0.75 s范圍內(nèi)，用戶感覺不到系統(tǒng)的延時(shí)，實(shí)時(shí)交互性好。

系統(tǒng)中程序執(zhí)行時(shí)間以及主控制器中程序執(zhí)行時(shí)間為微秒級(jí),可以忽略不計(jì)。本文重點(diǎn)測(cè)量URAT串口通信時(shí)間t1和下壓件向下運(yùn)行時(shí)間t2。精確測(cè)量的虛擬嗅覺氣味生成裝置的系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間t由下式表示：

t=t1+t2

(11)

其中,t2在控制程序中設(shè)定為0.5 s。故本研究主要測(cè)量URAT串口通信時(shí)間t1。利用串口調(diào)試助手和示波器進(jìn)行串口通信時(shí)間的測(cè)量。串口調(diào)試助手以一定的時(shí)間間隔(十六進(jìn)制格式)的方式向主控制器發(fā)送數(shù)據(jù)。當(dāng)主控制器接收到數(shù)據(jù)時(shí),將某個(gè)I/O的電平拉高或拉低，從而產(chǎn)生一定脈沖寬度的脈沖波。利用示波器捕捉主控制器在I/O處產(chǎn)生的脈沖波，并顯示出來(lái)。通過(guò)測(cè)量示波器中單個(gè)波峰或者波谷的時(shí)間間距t4以及串口調(diào)試助手發(fā)送數(shù)據(jù)的間隔時(shí)間t3，可以計(jì)算出URAT串口通信時(shí)間t1=t4-t3。測(cè)量數(shù)據(jù)如表1所示。

在t3=10ms時(shí)，連續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)，生成的波形大小不一，不能作為測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)，如圖6a所示。

在t3=30ms時(shí)，連續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)，生成的波形整體勻稱，但有個(gè)別突變現(xiàn)象，可以作為測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)，如圖6b所示。

在t3=60ms時(shí)，連續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)，出來(lái)的波形穩(wěn)定且非常勻稱，可以作為測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)，如圖6c所示。

表1　串口通信時(shí)間測(cè)試數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)圖

(a)t3=10 ms(b)t3=30 ms

(c)t3=60 ms圖6　波形圖

由表4可知，URAT串口通信時(shí)間t1=10ms。將t1和t2的值代入到式(16)中，得虛擬嗅覺氣味生成裝置的系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間為0.51 s。

因此，所研發(fā)的虛擬嗅覺氣味生成裝置的精確系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間在0.25～0.75 s范圍內(nèi)，能夠滿足實(shí)時(shí)交互的需求。

3.2絲杠螺母運(yùn)動(dòng)精度測(cè)量

本文利用絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)機(jī)構(gòu)將步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為下壓件的直線運(yùn)動(dòng)，從而達(dá)到下壓件按壓氣味瓶的目的。下壓件和絲杠螺母固定為一個(gè)整體，絲杠螺母在電機(jī)絲杠軸上運(yùn)動(dòng)。通過(guò)主控制器對(duì)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向等進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)下壓件行程的精確控制。所以，對(duì)本文中絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)精度進(jìn)行測(cè)試是虛擬嗅覺氣味生成裝置性能評(píng)價(jià)的一個(gè)重要內(nèi)容。

3.2.1實(shí)驗(yàn)方法

圖7　絲杠螺母運(yùn)動(dòng)精度實(shí)驗(yàn)原理

通過(guò)理論計(jì)算和實(shí)際測(cè)量的對(duì)比，進(jìn)行絲杠螺母運(yùn)動(dòng)精度的測(cè)量。上文已經(jīng)根據(jù)脈沖產(chǎn)生的周期T、正負(fù)脈沖的持續(xù)時(shí)間(t1或t2)，步進(jìn)電機(jī)的步矩角Δ、絲杠螺母的螺距P等計(jì)算出螺母運(yùn)動(dòng)的速度v。規(guī)定正脈沖絲杠螺母向下運(yùn)動(dòng)，負(fù)脈沖絲杠螺母向上運(yùn)動(dòng)。其實(shí)驗(yàn)原理如圖7所示。

3.2.2實(shí)驗(yàn)步驟

(1)在虛擬嗅覺氣味生成裝置平臺(tái)上測(cè)出螺母的初始位置，即絲杠螺母上表面距離支撐外殼結(jié)構(gòu)上表面的距離S1。

(2)給單片機(jī)上電，啟動(dòng)電機(jī)，讓電機(jī)以確定的速度、確定的正負(fù)脈沖時(shí)間運(yùn)行N(N=1,3,5,10)個(gè)周期。

(3)電機(jī)停止后，用游標(biāo)卡尺測(cè)量螺母的上表面距離支撐外殼結(jié)構(gòu)上表面的距離S2。

(4)將S2作為步驟(1)的初值。重復(fù)步驟(1)～步驟(3)，累計(jì)記錄10組數(shù)據(jù)。

(5)改變N值，重復(fù)步驟(1)～步驟(4)。

設(shè)計(jì)N的取值，為了防止偶然誤差，其真實(shí)誤差K取為

K=S2-S1

(13)

3.2.3實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及結(jié)果分析

根據(jù)N=1,3,5,10時(shí)的測(cè)量數(shù)據(jù)，計(jì)算出絲杠螺母的運(yùn)動(dòng)誤差率如表2所示。

表2　絲杠螺母不同周期內(nèi)運(yùn)動(dòng)誤差率表

將所得的K值繪制成K-i曲線圖(i為實(shí)驗(yàn)次數(shù))，如圖8所示。誤差曲線在基準(zhǔn)線附近-1.5～1.5 mm之間小幅度波動(dòng)。從四個(gè)不同運(yùn)動(dòng)周期的誤差曲線可以看出，誤差一直處于正負(fù)波動(dòng)狀態(tài)，不存在累計(jì)誤差。由表2可知，運(yùn)轉(zhuǎn)周期越長(zhǎng)，其誤差率越小，即運(yùn)動(dòng)精度越高，故在設(shè)定絲杠螺母的運(yùn)動(dòng)周期時(shí)，在考慮到噴發(fā)次數(shù)的基礎(chǔ)上，盡量加大絲杠螺母的運(yùn)動(dòng)周期。

圖8　絲杠螺母移動(dòng)誤差圖

由圖8可知，絲杠螺母的運(yùn)動(dòng)誤差在-1.5～1.5 mm之間，即其定位誤差在-1.50～1.50 mm之間。手動(dòng)測(cè)量得可使氣味瓶噴發(fā)氣味的有效按壓區(qū)間為2.00～5.70 mm。故所測(cè)量的絲杠螺母的運(yùn)動(dòng)精度滿足虛擬嗅覺氣味生成裝置噴發(fā)出香味的要求。

4　嗅覺視覺交互研究

氣味縈繞在人的周圍，提供了環(huán)境中各種物體化學(xué)組成的獨(dú)特信息。長(zhǎng)久以來(lái)，嗅覺被認(rèn)為是一種如果有，也僅僅具有非常微弱功能的退化感官。

本實(shí)驗(yàn)的目的在于運(yùn)用已經(jīng)調(diào)試好的虛擬嗅覺氣味生成裝置，對(duì)嗅覺和視覺之間的一致性進(jìn)行初步的研究，依據(jù)受試者在實(shí)驗(yàn)中的判斷，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

4.1實(shí)驗(yàn)條件

共188名高校學(xué)生參與了這一研究，男女各半。參與者的嗅覺及視力(或矯正視力)均正常，沒有感冒、鼻炎或呼吸道過(guò)敏等癥狀，沒有吸煙史，在參加實(shí)驗(yàn)期間不使用香水或其他帶有氣味的化妝品。

4.2實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

分別對(duì)圖片和噴發(fā)口進(jìn)行編號(hào)(1、2、3)。點(diǎn)擊圖片，系統(tǒng)自動(dòng)產(chǎn)生圖片對(duì)應(yīng)的氣味。受試者離香味噴發(fā)口的距離為15～20 cm，分別進(jìn)行了兩組實(shí)驗(yàn)。

4.3實(shí)驗(yàn)過(guò)程及分析

4.3.1實(shí)驗(yàn)一

第一組實(shí)驗(yàn)為受試者通過(guò)看到的圖片，確定是否聞到了對(duì)應(yīng)的氣味。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，絕大多數(shù)受試者能夠準(zhǔn)確地

圖9　實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)

作出相應(yīng)的判斷，該項(xiàng)實(shí)驗(yàn)表明，僅僅誘發(fā)氣味并不足以產(chǎn)生某種注意效應(yīng)。

4.3.2實(shí)驗(yàn)二

在接下來(lái)的測(cè)試中，讓受試者首先看到同時(shí)呈現(xiàn)在屏幕中的蘋果、柑橘和水蜜桃圖片，隨后在剛才出現(xiàn)蘋果、柑橘或者水蜜桃圖片的位置上會(huì)閃現(xiàn)一個(gè)鼠標(biāo)，此時(shí)要求受試者按鍵判斷鼠標(biāo)的朝向，如圖10所示。

圖10　實(shí)驗(yàn)二

在這一過(guò)程中，即告知受試者三幅圖片與鼠標(biāo)的朝向并無(wú)關(guān)系，當(dāng)聞到蘋果、柑橘和水蜜桃的氣味時(shí)，讓受試者判斷鼠標(biāo)朝向的圖片與聞到的氣味是否相一致，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖11所示。

圖11　實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

由實(shí)驗(yàn)二可知，受試者判斷錯(cuò)誤率明顯增大，是因?yàn)楫?dāng)受試者看到鼠標(biāo)箭頭指向的圖片與聞到的氣味不一致時(shí)，受試者往往被氣味影響，作出錯(cuò)誤判斷，由此可得出氣味可以增大注意的偏向優(yōu)勢(shì)，其效果取決于氣味與圖片的一致性。

從上述兩個(gè)實(shí)驗(yàn)可得出：視覺和嗅覺在人類認(rèn)知事物的過(guò)程中都有不可或缺的作用，該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)地揭示了物體的氣味可以作為其特征之一，增加人們的知覺顯著性，從而吸引視覺注意的焦點(diǎn)。

5　結(jié)語(yǔ)

本文研發(fā)了一種虛擬嗅覺生成裝置，可用于虛擬環(huán)境中視嗅覺融合認(rèn)知的人機(jī)交互，初步的視嗅覺融合認(rèn)知實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所研制的虛擬嗅覺生成裝置可以實(shí)時(shí)生成穩(wěn)定的氣味，為虛擬環(huán)境提供逼真的嗅覺。根據(jù)按壓氣味瓶所需的作用力，設(shè)計(jì)出定量送氣機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了裝置的機(jī)械本體的裝配；依據(jù)裝置的驅(qū)動(dòng)部件開發(fā)出基于串口通信的控制系統(tǒng)，開展了響應(yīng)時(shí)間和運(yùn)動(dòng)精度的性能測(cè)試，最后開展了初步的視嗅覺認(rèn)知實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果初步揭示了嗅覺和視覺之間的一致性等相關(guān)問題。目前該嗅覺生成裝置只能單獨(dú)或同時(shí)輸出三種氣味，今后將逐步完善，使散發(fā)的氣味種類能夠根據(jù)要求來(lái)設(shè)定。

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(編輯王艷麗)

A Virtual Olfactory Generation Device for Visual-olfactory Perceptions

Yang WenzhenWu XinliYu LingZhu Panfei

Zhejiang Sci-Tech University,Hangzhou,310018

This paper presented a virtual olfactory generation device for the visual-olfactory perceptions in virtual environments. This device was composed by a mechanical body and a control system, can output 3 odors in single or mixed models. By analyzing the pressed force, which was required by the perfume bottles, a quantitative aspirated odor mechanism was designed and the mechanical body was manufactured. Then the control system was developed based on a serial communication and the performances of this device were tested, which included the response time and the movement precision. The experiential results show that the virtual olfactory generation devices has fast response time and high precision control features, can generate the stable odor in real-time, and present the realistic olfactory in virtual environments.

virtual olfactory; odor generation device; visual-olfactory; human-computer interaction

2014-10-11

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)資助項(xiàng)目(2013AA013703);國(guó)家自然科學(xué)基金資助重點(diǎn)項(xiàng)目(61332017);浙江省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(LY14F020048);浙江省科技廳重點(diǎn)科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)資助項(xiàng)目(2012R10005)

TP391.9DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2015.22.012

楊文珍，男，1976年生。浙江理工大學(xué)虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室副教授、博士。研究方向?yàn)樘摂M現(xiàn)實(shí)技術(shù)。發(fā)表論文10余篇。吳新麗，女，1987年生。浙江理工大學(xué)虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)師。余嶺，男，1989年生。浙江理工大學(xué)機(jī)械與自動(dòng)控制學(xué)院碩士研究生。祝盼飛，男，1991年生。浙江理工大學(xué)機(jī)械與自動(dòng)控制學(xué)院碩士研究生。