基于觸覺反饋的農(nóng)機(jī)產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計系統(tǒng)研究

果 霖，李 剛，陳 龍，商 茹，張?zhí)鞎?，張?zhí)祉?/p>

（1.云南農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，云南 昆明 650201；2.昆明理工大學(xué) 工業(yè)設(shè)計系，云南 昆明 650500；3.常州機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 藝術(shù)設(shè)計學(xué)院，江蘇 常州 213164）

0 引言

基于觸覺反饋的農(nóng)機(jī)產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計系統(tǒng)是以觸覺反饋?zhàn)鳛樵O(shè)計工具，以快速成型作為核心技術(shù)，快速高效開發(fā)各種農(nóng)機(jī)新產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計系統(tǒng)。

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(jìn)行人機(jī)交互，開展虛擬設(shè)計。但是由于味覺和嗅覺通道的信息承載量較小、應(yīng)用場合也較少，傳統(tǒng)上沒有給予重視，故研究較少。歷史上由于技術(shù)上易于突破、應(yīng)用上方便推廣，因此往往把研究的重點(diǎn)放在視覺和聽覺上。而實(shí)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(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，設(shè)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(shí)際物體時相同的力感、接觸感和運(yùn)動感，產(chǎn)生很真實(shí)的沉浸感，而且可以直接應(yīng)用觸覺（力覺）以十分自然的方式向計算機(jī)發(fā)送各種命令來開展設(shè)計工作，是一種新型和高效的人機(jī)交互方式，受到設(shè)計師的歡迎。有研究表明：在有些工作狀態(tài)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(shù)是一種將CAD模型（電子模型）逐層完成實(shí)體原型（物理模型）的先進(jìn)制造技術(shù)，是快速產(chǎn)品開發(fā)的核心技術(shù)，能夠?qū)⒃O(shè)計師頭腦中的設(shè)計構(gòu)思和計算機(jī)中虛擬觸摸感的設(shè)計產(chǎn)品迅速地轉(zhuǎn)化為具有真實(shí)觸摸感的產(chǎn)品實(shí)體，不僅提高了CAD模型的觸摸性和可視性，還可直接進(jìn)行觸摸體驗和功能測試[2]。

將觸覺反饋與快速成型相結(jié)合的創(chuàng)新設(shè)計系統(tǒng)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(fā)揮快速成型快速產(chǎn)品開發(fā)的功能，在創(chuàng)新設(shè)計時具有明顯的優(yōu)越性，已越來越多地受到設(shè)計師的重視并被實(shí)際應(yīng)用。

1 觸覺反饋虛擬設(shè)計

觸覺反饋是人體器官特別是皮膚通過虛擬設(shè)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(chǎn)生很真實(shí)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(jī)交互界面，讓設(shè)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(huán)系統(tǒng)。如圖1所示，設(shè)計師操作PHANTOM觸覺反饋設(shè)備的末端手柄，控制觸覺接口點(diǎn)HIP在工作空間中運(yùn)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(huán)境中的代理點(diǎn)的位姿，因此代理點(diǎn)的位姿可以隨HIP的位姿更新；觸覺輸出模塊根據(jù)虛擬環(huán)境信息和代理點(diǎn)與虛擬環(huán)境的交互狀態(tài)，以不低于每秒1000次的運(yùn)算速度計算反饋力，并將反饋力發(fā)送給觸覺反饋設(shè)備，觸覺反饋設(shè)備根據(jù)要輸出的反饋力的方向和大小驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)動，把要輸出的反饋力轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，從而使操作者能夠感受到反饋力，完成虛擬環(huán)境中的“觸覺輸出”。

圖1 觸覺反饋的雙向閉環(huán)系統(tǒng)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?？臻g匹配模塊的功能是將PHANTOM的HIP的位置和姿態(tài)匹配到虛擬空間中代理點(diǎn)的位置和姿態(tài)，從而使代理點(diǎn)的位置和姿態(tài)隨HIP的位置和姿態(tài)一起改變。觸覺輸出模塊的功能是根據(jù)代理點(diǎn)與虛擬環(huán)境交互狀態(tài)實(shí)時計算反饋力和反饋力矩，并將其發(fā)送給PHANTOM Desktop輸出[5]。

2 觸覺反饋與快速成型相結(jié)合的快速創(chuàng)新設(shè)計系統(tǒng)

快速成型是上世紀(jì)末發(fā)展起來的將激光成型、數(shù)字控制、精密伺服驅(qū)動、計算機(jī)輔助設(shè)計、計算機(jī)輔助制造和新材料新工藝等集成于一體的先進(jìn)制造技術(shù)，能夠按照計算機(jī)輔助設(shè)計設(shè)計完成的產(chǎn)品三維虛擬模型，進(jìn)行切片分層，得到二維輪廓的各層截面，并且根據(jù)這些截面輪廓，選擇性地進(jìn)行加工處理，順序疊加形成三維實(shí)體產(chǎn)品，從而徹底擺脫了傳統(tǒng)的“切除”加工方法，實(shí)現(xiàn)將電子模型（數(shù)字模型）逐層疊加直接制造產(chǎn)品實(shí)體或樣品原型的新技術(shù)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(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：設(shè)計制造一體化（由CAD模型直接驅(qū)動）、典型的通用加工設(shè)備 （無需專用夾具和工具）、完全自動的成型過程（無人干預(yù)或較少干預(yù)）、材料適用性強(qiáng)（廣泛的材料可選性）、成型速度快（比傳統(tǒng)成型方法快得多）、廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域（特別適合小批量、不規(guī)則或復(fù)雜形狀產(chǎn)品的設(shè)計制造）、良好的經(jīng)濟(jì)效益（只需傳統(tǒng)加工方法10%～30%的工時和20%～30%的成本），從而成為創(chuàng)新設(shè)計的有效工具，快速產(chǎn)品開發(fā)的核心技術(shù)。

基于觸覺反饋和快速成型的創(chuàng)新設(shè)計的基本流程如圖2所示：設(shè)計師的“設(shè)計創(chuàng)意”通過“設(shè)計構(gòu)思”得到“概念設(shè)計”；通過觸覺創(chuàng)新設(shè)計系統(tǒng)的“草繪輪廓”得到“初步形態(tài)”；通過觸覺創(chuàng)新設(shè)計系統(tǒng)的“虛擬雕塑”得到“結(jié)構(gòu)造型”；進(jìn)一步通過“虛擬雕塑”可以得到虛擬空間的“數(shù)字原型”；通過“快速成型”得到實(shí)體空間的“快速原型”；通過“試生產(chǎn)”得到“產(chǎn)品原型”；最終通過“批量生產(chǎn)”得到“實(shí)物產(chǎn)品”。在這個創(chuàng)新設(shè)計過程中最引人注目的也是最重要的特點(diǎn)是三個觸覺反饋：“數(shù)字原型”基礎(chǔ)上的“虛擬觸覺反饋”、“快速原型”基礎(chǔ)上的“快速觸覺反饋”和“產(chǎn)品原型”基礎(chǔ)上的“實(shí)物觸覺反饋”。創(chuàng)新設(shè)計從構(gòu)想到成型，直致成熟，是一個由發(fā)散趨于收斂的過程，一個反復(fù)推敲、逐步修改的過程，需要進(jìn)行不斷的設(shè)計反饋、迭代與優(yōu)化，每一次觸覺反饋都在上一次觸覺反饋基礎(chǔ)上依次展開，通過多次觸覺反饋，對觸覺設(shè)計的細(xì)部數(shù)據(jù)的修改、光滑和增強(qiáng)，最終使顧客滿意。

圖2 基于觸覺反饋和快速成型的創(chuàng)新設(shè)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(chuàng)新設(shè)計的優(yōu)點(diǎn)并不僅僅是由于成型過程中機(jī)器運(yùn)行速度快而引起的 （誠然快速運(yùn)行也很重要），根本原因在于整個創(chuàng)新設(shè)計過程中由觸覺反饋的觸摸性所引起的對于設(shè)計創(chuàng)意的體驗性和啟發(fā)性，使設(shè)計師能夠親身體驗和感受設(shè)計效果，催化設(shè)計創(chuàng)意中的知識發(fā)酵，從而發(fā)揮創(chuàng)新潛能，反復(fù)推敲，優(yōu)化設(shè)計，及時改進(jìn)。產(chǎn)品創(chuàng)新中的知識，經(jīng)過實(shí)物信化（產(chǎn)品實(shí)物的數(shù)字化）、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換（虛擬原型的代碼化）、信息物化（數(shù)控代碼的快速原型化）和物性轉(zhuǎn)換（物理原型的產(chǎn)品實(shí)物化）的四種知識轉(zhuǎn)換，形成了一個完整的知識循環(huán)，在從設(shè)計到制造的全過程中使設(shè)計方案很快趨向完善。

基于觸覺反饋和快速成型的創(chuàng)新設(shè)計具有穩(wěn)定性（隨著創(chuàng)新過程的向前推移，逐步收斂到創(chuàng)新目標(biāo)，穩(wěn)定地回到平衡狀態(tài)）、快速性（在極短時間內(nèi)由CAD直接驅(qū)動得到產(chǎn)品實(shí)物，很快達(dá)到創(chuàng)新目標(biāo)）、準(zhǔn)確性（客觀地立體地表達(dá)出設(shè)計者的設(shè)計思想和最終用戶的實(shí)際需求，無論在功能上、視覺上還是觸覺上都與設(shè)計要求極其接近），能夠真正做到顧客滿意，具有傳統(tǒng)設(shè)計方法不可比擬的優(yōu)越性。

3 應(yīng)用案例：背負(fù)式農(nóng)用噴霧器的觸覺反饋設(shè)計

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

隨著體驗經(jīng)濟(jì)時代的到來，人們對產(chǎn)品設(shè)計提出了更高的要求，既要求在較短的時間內(nèi)設(shè)計制造出所需功能的產(chǎn)品，也要求產(chǎn)品具有符合人機(jī)工程學(xué)的個性化舒適性，并希望親身參加使用體驗?，F(xiàn)用觸覺反饋與快速成型相結(jié)合的創(chuàng)新設(shè)計系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計。

3.1 初步形態(tài)設(shè)計

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

使用detail clay層級下的variable round edge（導(dǎo)圓角）圖表，將觸感筆深入形體內(nèi)部，沿上折邊按下觸感筆按鈕旋轉(zhuǎn)一周，產(chǎn)生以下效果，并編輯倒角為12mm，產(chǎn)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(xù)使用wire cut工具編輯分割出來的形態(tài)，并使用對稱工具將底座做成對稱形態(tài)。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(tài)，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(jié)構(gòu)造型設(shè)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(xì)頸形態(tài)，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(tài)，使用sculpt clay下的刮刀工具，刮出如圖5所示的倒角形態(tài)。使用wire cut工具繼續(xù)制作細(xì)節(jié)。

箱體形態(tài)基本建立完畢，但此時的形態(tài)還為實(shí)心狀態(tài)，點(diǎn)擊mold下的shell圖標(biāo)，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(tài)制作完畢，如圖6所示。

圖5 箱體細(xì)節(jié)制作Fig.5 Producing detail of the box

圖6 箱體完整形態(tài)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(nèi)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(zhuǎn)化為空間線，再使用pipe工具，設(shè)置圓管的直徑為25mm，生成了壓桿形態(tài)。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(tài)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(shù)字原型”，如圖8所示。

圖8 噴霧器數(shù)字原型Fig.8 Digital model of sprayer

3.3 虛擬觸覺反饋

導(dǎo)入符合人機(jī)工程學(xué)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(diào)整至符合實(shí)際的使用狀態(tài)，如圖9所示。

圖9 人體模型導(dǎo)入Fig.9 Leading-in human body

使用Deform Clay，將變形盒子box的節(jié)點(diǎn)調(diào)整為垂直方向6個，為了達(dá)到噴霧器前部造型更好地貼合人體腰部曲線的目的，調(diào)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(fù)產(chǎn)品工作時所帶來的腰部酸痛等問題，如圖10所示。

圖10 人機(jī)化形態(tài)調(diào)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(chǔ)上，應(yīng)用快速成型技術(shù)對虛擬數(shù)字模型進(jìn)行數(shù)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(shí)地顯示出新設(shè)計的噴霧器實(shí)體形象?？焖俪尚偷膰婌F器原型，是實(shí)實(shí)在在的看得見、摸得到的實(shí)體形態(tài)，任何人接觸后都一目了然，具有真實(shí)性、說明性、普及性，提供了一個形象的直觀的準(zhǔn)確的交流語言，設(shè)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(jìn)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(shí)物，具有精度高、周期短、一次成型、高度自動化、適宜形體復(fù)雜等特點(diǎn)，彌補(bǔ)了虛擬觸覺反饋純粹虛擬造型不能真實(shí)觸摸的缺陷；作為設(shè)計信息的反饋控制，可以起到知識酶的催化作用，能夠促進(jìn)快速的知識迭代發(fā)酵，從而獲得滿意的設(shè)計解。

3.5 實(shí)物觸覺反饋

在生產(chǎn)制造階段和在市場銷售階段，實(shí)物觸覺反饋有實(shí)質(zhì)性的作用和意義：批量生產(chǎn)時，其產(chǎn)品與設(shè)計模型之間具有一一對應(yīng)的關(guān)系，需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計驗證與裝配驗證，必須設(shè)計、加工制造模具，實(shí)物觸覺反饋更適合反饋可制造性、可裝配性信息?，F(xiàn)場銷售時，客戶總是樂意親身體驗產(chǎn)品的人機(jī)界面，對符合人機(jī)工程學(xué)的舒適性“評頭論足”、“指手劃腳”，提出對產(chǎn)品的修改意見，因此實(shí)物觸覺反饋成為設(shè)計制造商與客戶交流溝通的基本條件。

4 結(jié)束語

（1）觸覺反饋是人體器官通過虛擬設(shè)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(jī)交互界面，能夠讓設(shè)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(shè)計。

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

（3）基于觸覺反饋的農(nóng)機(jī)產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計系統(tǒng)是以觸覺反饋?zhàn)鳛樵O(shè)計工具，以快速成型作為核心技術(shù)，快速高效開發(fā)各種農(nóng)機(jī)新產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計系統(tǒng)，其突出的優(yōu)點(diǎn)是快速的觸覺反饋所引起的對于設(shè)計創(chuàng)意的體驗性和啟發(fā)性。

（4）背負(fù)式農(nóng)用噴霧器觸覺反饋設(shè)計應(yīng)用案例介紹了基于觸覺反饋的農(nóng)機(jī)產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計系統(tǒng)的應(yīng)用。