| 出版日期：1997-06-16 总期号：662 本年期号：22 |
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虚拟环境中的触摸和力量反馈
曾芬芳 李琪 触觉是人们从客观世界获取信息的重要传感渠道之一，它由触摸反馈和力量反馈组成。虽然它们是两种不同形式的力量感知，但在虚拟环境中，它们都是使用户具有临境体验的交互手段，也是改善虚拟环境的一种重要方式。用以增强vr系统的真实感、沉浸感，提高虚拟任务执行成功的机率。但如何反应这两种不同的感知，是今天vr系统需要进一步探索的困难问题。 在很多情况下，尽管人们能看到一个物体的形状，听到它发出的声音，但还是希望自己亲手去触摸一下，以感知它的质地、温度，从而获得更多信息，只有这样才感到较全面地了解了该物体，在虚拟环境中也是如此。不过在vr中实现触觉感知是非常困难的，因为虚拟物体定义在计算机中，而人处在真实世界里，用户不可能象抓住一个真实物体那样真正抓住一个虚拟物体，也就是没有对该物体的物理感知。虽然vr系统使用户的手可以抓住一只虚拟茶杯，但不能感受到接触这只杯子的触觉。也就是说，不像是用你自己的手真正把握一只实实在在的杯子一样，无法判断你抓杯子的动作是否停止在杯子的表面，而不再向杯子内部继续捏进去；更困难的是如何正确“理解”力的反馈，如何能使你从反馈中识别出虚拟表面是呢子的还是布的？如何向计算机说明是“呢子”表面？用什麽参数可以区别呢面和布面？这些问题都是今天的虚拟现实系统正在探索解决的问题。 目前已经研制出一些能有限的实现触摸反馈和力量反馈的产品，并已开始投入应用，如一种有触觉的手套。在虚拟空间中，用户戴上数据手套，通过实时操作，可以伸手抓取或操纵虚拟物体。虽然，已研制成的那些能模拟和产生触摸／力反馈的vr系统还是粗糙的、试验性的，距离真正的实用还有一定的距离。可以深信，随着对这些触摸和力反馈的进一步了解，随着更先进的传感器的研制成功，这一情况会得到改善。新技术和新材料可能在开发触觉方面引起大的改进，也必将有助于实现人们的愿望，即建立一个能“看得见并且摸得到”的虚拟现实系统。 一、触摸反馈／力量反馈的概念及其区别 1．触摸／力量反馈的概念 触觉感知包括触摸反馈和力量反馈所产生的感知信息。触摸感知是指人与物体对象接触所得到的全部感觉，是触摸觉、压觉、振动觉、刺痛觉等等皮肤感觉的统称。所以触摸反馈代表了作用在您皮肤上的力，它反映了人类触摸的感觉，或者是皮肤上受到压力的感觉；而力反馈是作用在您的肌肉、关节和筋腱上的力。 与视觉和声音反馈相比，触摸反馈分析比较复杂。因为触摸传感器提供的是关于接触表面的几何性质、表面平滑度、温度、几何构造等信息。而力量反馈提供的是关于全部接触力量的信息，还有表面的硬度或被抓物体的重量信息。在触摸反馈的传感过程中要使用整个人体（皮肤和内部器官），而且，这些接受器在皮肤表面的分布也不是稳定的。分布密度最大是在指尖处，达到每平方厘米135个接受器，而背部皮肤的接受器密度最低，可降低到每平方厘米20个以下。另外，与触觉有关的感觉并不只限于辨别身体与环境之间的接触区域，它还与用来确定物体重量的力量反馈、“动觉”或因人而异的身体各个部分的相对姿势有很大关系。 2．虚拟触摸／力量反馈系统设计的要求 虚拟触摸和虚拟力量反馈需要实时计算出接触力、表面几何性质、光滑度、滑动性等。除了对所有传感通道提出实时要求外，还有一些关于vr触摸／力量反馈的特殊要求。首先是安全性，因为虚拟力量反馈时使用者的手施加真正的力。当需要很大的力来止住手（如刚性物体模拟）的动作时，这些力不能大到足够伤害用户自己，因而要求有一个安全、可靠的系统，当计算机有故障时，用户不会发生意外；其次是要求有一个更合适的反馈执行装置，它价格便宜、干净，由于空气的伸缩性，使之具有内在的安全感；第三要求反馈执行装置轻便，用户使用有舒适感，不能使用户感到厌倦。 触摸反馈和力量反馈虽然是两种感知，但不是相互排斥的，而是互补的。当操纵真实物体时，不仅能感受到它的重量、硬度、物体表面的光滑度和几何特征。因此，应该具有一个能同时提供力量和触摸两种反馈的设备，才更符合要求。 二、触摸／力量反馈技术及工具 1．触摸反馈设备 触摸反馈设备是采用某些物理装置，提供一种通过皮肤所感知的触觉反馈，如分布在手套内表面的一个具有若干振动突起物的阵列。有的在手套内部安装一些可膨胀的特制小泡，或是在电荷的作用下，某些材料可由液态变为固态，以及利用记忆合金的变形功能等。目前最常用的模拟触觉反馈的方法是气压法和振动法。 （1）气动式触摸反馈 气动式触摸反馈是一种采用小空气袋作为传感装置的气压法，它是一种由双层手套组成的系统，其中一个输入手套用来测量力，有20～30个力敏元件分布在手套的不同部位，当手触摸到物体时，检测出手的各个部位的受力情况。例如，当手拿起某件东西时，检测出手指和手在各种弯曲角度下所受的压力，因而建立起手在拿起这个物体时的力分布图。用另一个输出手套来再现所检测出的压力，输出手套也有20～30个空气袋放在对应的位置，可以用计算机和压缩泵控制这些小气袋的气压，由计算机对气压进行调整，以再现拿起东西时手的各部位的受力情况。用这种方法所创建的模拟触觉反馈的工具，虽然还不十分逼真，但已经取得了较好的效果。 （2）振动式触模反馈 振动式反馈是用声音线圈作为振动换能器以产生振动的方法。简单的换能器就如同一个未安装的喇叭的声音线圈，复杂的换能器是利用状态记忆合金制成。当电流通过这些换能器时，它们都会发生变形和弯曲。可以根据需要把换能器做成各种形状，把它们安装在皮肤表面的各个位置。这样就能产生对虚拟物体的光滑度、粗糙度的感知。 （3）增强式触摸反馈 salford大学提出了二种触摸反馈技术，其研究目标是通过增加温度和热传导反馈来增强触摸反馈。温度信息有助于辨别虚拟物体是热还是冷或甚至代替＂疼痛＂（危险）反馈。 温度反馈执行装置是peltiereffect热气泵，它可迅速加热和冷却，它的冷热最大温度差是65℃。为了加速控制，在与皮肤接触的peltier泵上安装了一个响应时间仅为10ms的小热电偶。从对此系统所作的试验表明，它能根据物体温度和导热率识别物体，准确性在84％以上。 另一种触摸反馈技术是“疼痛”反馈，或称紧急危险识别，可使用同样的温度反馈来完成，即把温度迅速上升到50℃，人体对这种超载状态的反应时间不超过1秒。 2．力量反馈装置 vr的力量反馈是通过力量反馈装置使人感受到物理的压迫力，也用来模拟发生于遥控操作环境的力。目前已建造了一些用以提供力量反馈的装置。 （1）力量反馈臂 一个物体的重量、惯性以及它与硬墙碰撞的模拟需要在用户腕部产生力量反馈。日本的研究者已开发研究出一种专门用于vr模拟的仿形手臂。这种手臂有四个自由度，它采用了直接驱动电子执行装置的紧凑设计方法。手柄上装有一个6自由度的腕部力量传感器，这个传感器测量出提供给操作者的反馈力量和扭矩。图形显示器显示出由仿形手臂控制的虚拟手臂和虚拟物体。手臂重量和惯性相互抵消，所以只要与虚拟环境无交互作用时，手柄处就会感受不到力量。当虚拟手臂的尖端（以动装置）压在一虚拟物体（墙）上时，就可用公式计算出虚拟接触力量。 （2）游戏棒 力量反馈仿形手臂的缺点是它的高造价、复杂和不轻便，并使用户在某些操作方式下操作困难。为了能在实验室之外方便使用，需要一种桌面反馈系统，如游戏棒。 schmult和jebens已研制出一种“高性能力量反馈游戏棒”。这种游戏棒在每根轴（x和y）上最大能产生75g的力量。它既可作为一位置（相对或绝对）输入工具，又可在辅助模式下工作。由于它的高带宽（响应频率可扩展到几百hz），这种游戏棒可产生多种力量和触摸感觉，如直接作用力、脉冲、颤动和柔软性的改变等。 （3）笔式六自由度游戏棒 上述的游戏棒其优点是无需用户校准，结构紧凑，而且使用直观，但它的活动空间太小，只有两个自由度。对某些应用需要能产生三维力量的桌面设备，它们要求有6个自由度，工作空间也比普通游戏棒大。为适应这种需要，iwata已研制开发出一种“笔式六自由度力量显示器”。iwata的设计思想是并行使用两个三自由度手臂，而不是只用一个六自由度手臂。每个手臂的关节分别使用三个执行装置。在两个无源关节之间连着一笔状手柄。笔状游戏棒能在用户手部产生平移力和扭力矩。采用螺旋运动机制把两个无源关节之间的反向力转换为同心力，并与手柄同轴产生一个扭力。 （4）轻便的设备 在操作更灵巧的任务中，有必要在独立的手指上控制模拟力，而不是象游戏棒和机械手臂那样在手腕上产生力量反馈。如果该反馈结构小到可以戴在用户手上，而且重量很轻，那么该设备就是“轻便的”，这极大地增加了用户运动的自由度和自然的交互作用，从而会产生沉浸感更佳的模拟。 burdea等人已开发出一种带有力量反馈的rutger轻便设备，这种反馈结构是在手套掌心放有四个空气推动的微气缸。并把它附于一数据手套的手掌，控制循环使用来自数据手套的数据驱动一只虚拟手。当这只虚拟手抓住物体时，用户可以在他们的手指上感到力量作用。这些力量大小依赖于物体变形程度和对它的已制成模型的柔软性。 lrp（laboratoirederobotignedeparis）已开发出一个比rutgers设备自由度更多的轻便设备，称之“lrp手部设备”，它能向手上14个位置提供力量反馈。为了使大多数抓取动作的反馈力量都是垂直作用于手指段。并把执行装置放在离手较远的地方，以不加重设备重量。通过 |
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