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从桌面式到穿戴式的触觉人机交互

触觉被称为感觉之母,是人类与外界交流的重要通道。人与自然界交互时,触觉时时刻刻都在发挥着作用,软硬、摩擦、冷暖以及人类进行更复杂的情感交流等信息都通过触摸来感知实现。与此形成巨大反差的是,在人与机器交互时,触觉交互仍然处在萌芽期。例如计算机通过显示器、头盔、立体声耳机等设备给人呈现逼真的视觉体验和听觉体验,但在交互过程中用户能够获得的触觉体验极为贫乏。

借助触觉交互技术,人与计算机的交互能够为用户提供触摸虚拟物体的触觉体验(如接触力、柔软度、纹理、重量、振动、温度等),显著增强虚拟现实(VR)系统的交互体验。其应用领域包括虚拟手术触感训练、航空航天复杂装备设计装配的触觉仿真、互动触觉体验电影和体感交互娱乐等。在人与机器人交互方面,触觉交互将实现人机密切接触,保证安全柔顺的人机协作。其应用领域包括士兵穿戴式外骨骼、肢体康复设备、空间站机器臂力反馈遥控操作等。

与视听觉人机交互的广泛应用相比,触觉交互尚处于基础研究和技术攻关阶段,大规模应用还很少,其原因在于触觉交互系统的复杂性。触觉交互系统是一个“人在回路”“离散和连续环节共存”的生机电混合闭环控制系统,蕴含了人(操作者)、机(虚拟环境)、触觉交互接口设备三大要素的实时交互控制过程。有效的触觉交互系统的构建,依赖于机器人学、计算机科学、自动控制、生理学、神经科学等学科知识的有效融合。

从人机信息流动的视角来划分,触觉交互研究存在三个方面的问题:(1)触觉信息感知。由于触觉交互系统的指令来自操作者的随机输入,难点在于机器如何准确感知人的交互动作、意图以及如何实时、准确地测量人与机器接触时的多维度作用力和力矩。(2)触觉信息呈现。难点在于高实时性(1kHz更新频率)、高逼真度(建模和仿真误差小于人的力触觉感知阈值)地模拟再现物体接触交互时的丰富力学属性(硬度、摩擦、阻尼、振动等)。(3)触觉交互接口设备。难点在于触力觉反馈设备属于多自由度特种机器人,存在反向驱动性和可变阻抗控制的双重特性,需要保证“操作者-触觉反馈设备-虚拟环境”闭环回路的控制稳定性,否则会导致交互感受失真乃至伤害操作者。

理解人的触觉生理特性是开发有效的触觉人机交互系统的前提。力触觉包括了人体两类感受器:位于皮肤真皮层和表皮层的触觉感受器(tactile receptor),相应诱发的感受称为触觉反馈;位于关节和韧带内的感受器(kinesthetic receptor),相应诱发的感受称为力觉反馈。为模拟这两类感受,相应的交互设备分别称为力觉生成(force feedback device)设备和触觉生成(tactile feedback device)设备;相应的生成方法分别称为力觉生成(force rendering)方法和触觉生成(tactile rendering)方法。

力觉交互设备是连接操作者和虚拟环境的纽带,其性能优劣程度决定了交互系统是否能够成功完成预期的仿真任务。根据Salisbury给出的评价交互设备性能的定性标准,研究人员总结出了定量评价力反馈设备性能的六项关键指标,即自由度、工作空间、位姿分辨率、输出力/力矩、反向驱动性能和可模拟刚度。

力触觉生成算法是计算和生成人与虚拟物体交互力的过程,是力触觉人机交互技术的软件核心,是使人感受到虚拟环境丰富多彩的关键。力触觉生成与图形绘制渲染的区别在于:实时图形渲染的刷新频率为30Hz,而实时力触觉渲染要求刷新频率至少在1kHz以上;图形显示是计算机呈现给人的单向的信号流动,而力触觉是人机之间的闭环信号和能量交互,因此图形渲染只需要保证视觉逼真性即可,而力触觉渲染对计算模型的稳定性和逼真性都提出了更严格的要求。力觉渲染算法的设计首先必须考虑稳定性要求,同时必须满足逼真性、稳定性和实时性的权衡。因为力觉显示只有符合物体交互的物理规律,才能够给操作者的力触觉感受器以真实的刺激。如何建立具有真实感的力学模型,又能保证稳定性和计算快速性,是力触觉生成和渲染方法面临的挑战。

在PC时代,力触觉交互的主流方式是通过固定在桌面的多关节力反馈交互设备进行。近年来随着传感器、机器人等技术的飞速发展,涌现出大量桌面式力觉交互设备。例如SensAble公司的Phantom系列、Force Dimension公司的Omega和Delta系列等商用设备。按照机械结构进行划分,力觉反馈交互设备可分为串联机构和并联机构。按照控制方式,力觉交互设备可分为阻抗再现式和导纳再现式。桌面式力反馈设备的交互隐喻是用户通过一个手柄与虚拟环境交互,虚拟化身为一个六自由度运动刚性工具,例如手术器械或螺丝刀等工具。典型的应用场景包括力反馈手术模拟器、飞机发动机力反馈装配模拟系统等。

高性能的虚拟现实系统应具有三个本质特征,即沉浸感、想象性和交互性(3I:Immersion,Imagination,Interaction)。力触觉人机交互对于保证虚拟现实系统的3I特性具有不可或缺的地位,其作用在于通过视听触多感觉融合增强沉浸感,通过人与虚拟环境的双向交流增强交互性,通过“所见即所触”提供更加丰富多彩的仿真应用。在虚拟现实时代,用户通过自己的身体直接与虚拟场景的物体进行交互。一个最重要的交互方式是通过人手来控制虚拟场景的虚拟手化身对虚拟物体进行交互操作。为了满足虚拟现实环境中移动交互的需求,可穿戴的力反馈数据手套为增强用户体验提供了新的可能。人们在日常生活和工作中,经常进行抓取、触摸等手部动作,利用数据手套可进行虚拟场景中物体的抓取、移动、旋转等动作,也可以利用它的多模式性,作为一种控制场景漫游的工具。

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  • 原文链接https://kuaibao.qq.com/s/20200322A09P5800?refer=cp_1026
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