人工觸覺的現(xiàn)狀與未來（五）

5． 觸覺外觀

關(guān)于觸覺體驗(yàn)創(chuàng)建的另一個(gè)觀點(diǎn)是，它們應(yīng)該是真實(shí)世界的外觀，可以被人類主動(dòng)探索，從而實(shí)現(xiàn)同步的動(dòng)覺和皮膚反饋。 理想情況下，這種觸覺外觀感覺就像環(huán)境中的自然物體，除了它們可以任意改變形狀，機(jī)械性能和表面紋理。 由于傳感器和執(zhí)行器的尺寸和重量的限制，這種理想不能完美地實(shí)現(xiàn)。 然而，通過巧妙地使用材料特性和控制以及感覺幻覺相結(jié)合，幾種方法正在成熟并且正在出現(xiàn)以產(chǎn)生高度引人注目的外觀顯示。

5．1、引腳陣列

重建外觀的傳統(tǒng)方法是控制以二維陣列布置的引腳的垂直位移。由于線性致動(dòng)器，這種渲染通常限于2．5維形狀 － 觸覺圖像中的每個(gè)“像素”是附接到線性致動(dòng)器的物理銷，線性致動(dòng)器可以上下移動(dòng)以呈現(xiàn)2．5維形狀。各種技術(shù)方法已應(yīng)用于驅(qū)動(dòng)：帶有絲杠，旋轉(zhuǎn)伺服系統(tǒng)，氣動(dòng)執(zhí)行器和形狀記憶合金的直流電機(jī)。對于這些顯示器中的大多數(shù)，大量致動(dòng)器意味著形狀控制主要涉及將所需形狀下采樣到顯示器的分辨率并相應(yīng)地定位每個(gè)元件。 聰明的多回路機(jī)構(gòu)基于布置在雙層方形網(wǎng)格中的可伸展鏈節(jié)，并且可成形對象使用平行的剛體結(jié)構(gòu)，其運(yùn)動(dòng)學(xué)被優(yōu)化以呈現(xiàn)諸如圓柱體和球體的基本形狀。對于由沿陣列的行和列排列的液壓致動(dòng)器組成的引腳顯示器，界面的分辨率可以更加可行地增加，因?yàn)橹聞?dòng)器的數(shù)量線性地縮放而不是與陣列的大小一致的多項(xiàng)式。通過更簡單的致動(dòng)實(shí)現(xiàn)感知的垂直位移的另一種方式是使用壓電雙晶片橫向彎曲銷。雖然每個(gè)針剪切（與正常位移相反）皮膚，但是所產(chǎn)生的應(yīng)變場可以感覺像正常位移。已經(jīng)使用大型顯示器（例如，圖6）

檢查了交互技術(shù)和應(yīng)用，重點(diǎn)在于支持遠(yuǎn)程協(xié)作。然而，使用引腳方法的形狀顯示仍然受到其2．5維性質(zhì)的限制，并且由于它們的致動(dòng)器的尺寸，它們通常是大型的臺式設(shè)備。

5．2、可變形的外殼裝置

可以直接控制表面的形狀，而不是用銷的主體填充形狀的體積。 這是可變形外殼拓?fù)浔澈蟮南敕ā?用于創(chuàng)建可變形外殼的特別有前景的方法是通過軟機(jī)器人中常用的致動(dòng)方法：氣動(dòng)。 例如，氣動(dòng)軟復(fù)合致動(dòng)器可以通過單個(gè)DoF進(jìn)行復(fù)雜的形狀變化。 粒子干擾可用于控制機(jī)器人的段的剛度以鎖定段，允許運(yùn)動(dòng)或形狀變化。 顆粒堵塞和氣動(dòng)復(fù)合材料可用于新的人機(jī)界面。 在名義上平坦的表面上的顆粒堵塞單元的組合以及從下方施加的空氣壓力可以產(chǎn)生具有可控和分布的幾何形狀和機(jī)械性質(zhì)的表面（圖7）。

5．3、可變摩擦表面

鑒于表面的形狀，我們?nèi)绾慰刂扑�的感覺？在銷陣列和可變形殼的例子中，可以直接控制表面的剛度。但是，紋理和摩擦對于顯示逼真的表面也很重要。近年來，這已經(jīng)通過調(diào)節(jié)表面摩擦來實(shí)現(xiàn)，當(dāng)皮膚（通常是指尖）在表面上滑動(dòng)時(shí)，表面摩擦有效地顯示出變化的剪切力（圖8a）。這些顯示器通過以高（超聲波）頻率振動(dòng)板來改變?nèi)说氖种负桶逯�間的摩擦。當(dāng)板振動(dòng)時(shí)，手指和板之間的摩擦力大大低于板靜止時(shí)的摩擦力。振動(dòng)頻率（幾十千赫茲）足夠高，人們無法直接聽到或感覺到它們。測量手指接觸表面的位置和速度使得能夠調(diào)節(jié)摩擦以在表面上顯示墻壁，紋理等。

調(diào)節(jié)摩擦的另一種方法是使用改變的靜電力（圖8b）。

這里，手指和表面之間的法向力取決于靜電力的吸引力，靜電力的強(qiáng)度不足以在垂直于表面的方向上感覺到，但是足以改變有效摩擦以顯示類似的墻壁和紋理。效果通常不如振動(dòng)那么強(qiáng)，但靜電具有不使用移動(dòng)部件的優(yōu)點(diǎn)。在這些方法中固有的是必須通過手指主動(dòng)探索表面，并且表面僅通過抵抗指尖運(yùn)動(dòng)才能耗散能量。有一種方法可以主動(dòng)推動(dòng)手指，類似于傳統(tǒng)的動(dòng)覺觸覺設(shè)備所做的事情：執(zhí)行器在手指下方橫向移動(dòng)板，同時(shí)摩擦力很高，給手指施加力。由于橫向運(yùn)動(dòng)不能永遠(yuǎn)持續(xù)，因此可以通過使用超聲波振動(dòng)或靜電技術(shù)降低摩擦并將板重新定位到其原始位置來重置系統(tǒng)，準(zhǔn)備再次向手指顯示。將來，這種效果可能通過巧妙的材料微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)被動(dòng)地實(shí)現(xiàn)。

6．與虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的集成

頭戴式虛擬現(xiàn)實(shí)顯示器以及相關(guān)的移動(dòng)跟蹤和創(chuàng)造性虛擬現(xiàn)實(shí)內(nèi)容的開發(fā)最近引起了對使用觸覺來提高虛擬體驗(yàn)的質(zhì)量和可訪問性的極大興趣。 事實(shí)上，缺乏逼真的觸覺反饋是虛擬現(xiàn)實(shí)中物體接觸和操縱過程中沉浸感的重要障礙 － 達(dá)到一個(gè)非常引人注目（圖形化）渲染的虛擬物體，看到你的手指靠近它，感覺......非常令人失望。 沒有。 虛擬現(xiàn)實(shí)的咒語被打破了。 在這里，我們探索已經(jīng)成功使用或正在開發(fā)的觸覺相關(guān)方法，以增強(qiáng)與虛擬世界的互動(dòng)（圖9）。

6．1、遭遇型觸覺設(shè)備

遇到類型的觸覺設(shè)備產(chǎn)生物理環(huán)境，供用戶直接用他或她的整個(gè)手探索，而不是依靠用戶來保持他們通過其接收觸覺反饋的中間設(shè)備。前一節(jié)中描述的活動(dòng)表面屬于此類別，但要將遇到的觸覺設(shè)備與虛擬現(xiàn)實(shí)無縫集成，還有很多工作要做。使用具有虛擬現(xiàn)實(shí)的遇到型觸覺設(shè)備的主要原因之一是人類用戶將看到圖形呈現(xiàn)的環(huán)境，而不是觸覺設(shè)備。這意味著觸覺設(shè)備不需要具有任何逼真的物理外觀并且僅需要在接觸點(diǎn)處感覺正確。然而，這提出了重要的感測和控制挑戰(zhàn)：當(dāng)手接近物體時(shí)預(yù)測用戶將想要觸摸虛擬環(huán)境的位置，使得觸覺設(shè)備可以根據(jù)需要定位和塑造自身以便提供期望的觸覺體驗(yàn)。

6．2、假性觸覺錯(cuò)覺

尋求使用觸覺錯(cuò)覺和視覺系統(tǒng)的總體優(yōu)勢來創(chuàng)建帶有被動(dòng)道具和視覺反饋的觸覺反饋。這種假觸覺反饋可以用來表示對摩擦力、剛度、尺寸和重量的感知。研究人員還尋求將視覺觸覺幻象與主動(dòng)觸覺反饋系統(tǒng)結(jié)合起來。通過視覺反饋的偽觸覺在增強(qiáng)皮膚主動(dòng)觸覺反饋以增加僵硬度方面是有效的。使用單點(diǎn)、欠驅(qū)動(dòng)的觸覺裝置的空間操作被增強(qiáng)了視覺－觸覺反饋，以增加旋轉(zhuǎn)對準(zhǔn)的知覺。相關(guān)人員已積極研究在被動(dòng)形狀上改變單一的物理脊，以影響對表面上的凸起或其他特征的觸覺感知。然而，這一空間還沒有得到充分的探索，特別是與遇到的類型的形狀變化的界面的集成，這可以允許許多類型的觸覺探索過程。

6．3、觸覺重定位

觸覺重定向結(jié)合了上述遇到型觸覺設(shè)備和偽觸覺的概念。 即使毛氈環(huán)境是平坦的，在虛擬環(huán)境中移動(dòng)手的視覺表示也可以暗示曲率。 該相同效果可用于顯示角度信息。 在本體感受中利用視覺優(yōu)勢使得能夠使用視覺刺激來夸大頭部的角位移，這可以用于重定向行走（圖9b）。

最近，這種與視覺感知的手部位置的空間扭曲相結(jié)合的效果已被用于重定向觸摸和抓取形狀基元。