人工触觉的现在与未来

导读： 这种触觉外观感觉就像环境中的自然物体，除了它们可以任意改变形状，机械性能和表面纹理。 由于传感器和执行器的尺寸和重量的限制，这种理想不能完美地实现。 然而，通过巧妙地使用材料特性和控制以及感觉幻觉相结合，几种方法正在成熟并且正在出现以产生高度引人注目的外观显示。

人工触觉的现状与未来（五）

5. 触觉外观

关于触觉体验创建的另一个观点是，它们应该是真实世界的外观，可以被人类主动探索，从而实现同步的动觉和皮肤反馈。 理想情况下，这种触觉外观感觉就像环境中的自然物体，除了它们可以任意改变形状，机械性能和表面纹理。 由于传感器和执行器的尺寸和重量的限制，这种理想不能完美地实现。 然而，通过巧妙地使用材料特性和控制以及感觉幻觉相结合，几种方法正在成熟并且正在出现以产生高度引人注目的外观显示。

5.1、引脚阵列

重建外观的传统方法是控制以二维阵列布置的引脚的垂直位移。由于线性致动器，这种渲染通常限于2.5维形状 - 触觉图像中的每个“像素”是附接到线性致动器的物理销，线性致动器可以上下移动以呈现2.5维形状。各种技术方法已应用于驱动：带有丝杠，旋转伺服系统，气动执行器和形状记忆合金的直流电机。对于这些显示器中的大多数，大量致动器意味着形状控制主要涉及将所需形状下采样到显示器的分辨率并相应地定位每个元件。 聪明的多回路机构基于布置在双层方形网格中的可伸展链节，并且可成形对象使用平行的刚体结构，其运动学被优化以呈现诸如圆柱体和球体的基本形状。对于由沿阵列的行和列排列的液压致动器组成的引脚显示器，界面的分辨率可以更加可行地增加，因为致动器的数量线性地缩放而不是与阵列的大小一致的多项式。通过更简单的致动实现感知的垂直位移的另一种方式是使用压电双晶片横向弯曲销。虽然每个针剪切（与正常位移相反）皮肤，但是所产生的应变场可以感觉像正常位移。已经使用大型显示器（例如，图6）

检查了交互技术和应用，重点在于支持远程协作。然而，使用引脚方法的形状显示仍然受到其2.5维性质的限制，并且由于它们的致动器的尺寸，它们通常是大型的台式设备。

5.2、可变形的外壳装置

可以直接控制表面的形状，而不是用销的主体填充形状的体积。 这是可变形外壳拓扑背后的想法。 用于创建可变形外壳的特别有前景的方法是通过软机器人中常用的致动方法：气动。 例如，气动软复合致动器可以通过单个DoF进行复杂的形状变化。 粒子干扰可用于控制机器人的段的刚度以锁定段，允许运动或形状变化。 颗粒堵塞和气动复合材料可用于新的人机界面。 在名义上平坦的表面上的颗粒堵塞单元的组合以及从下方施加的空气压力可以产生具有可控和分布的几何形状和机械性质的表面（图7）。

5.3、可变摩擦表面

鉴于表面的形状，我们如何控制它的感觉？在销阵列和可变形壳的例子中，可以直接控制表面的刚度。但是，纹理和摩擦对于显示逼真的表面也很重要。近年来，这已经通过调节表面摩擦来实现，当皮肤（通常是指尖）在表面上滑动时，表面摩擦有效地显示出变化的剪切力（图8a）。这些显示器通过以高（超声波）频率振动板来改变人的手指和板之间的摩擦。当板振动时，手指和板之间的摩擦力大大低于板静止时的摩擦力。振动频率（几十千赫兹）足够高，人们无法直接听到或感觉到它们。测量手指接触表面的位置和速度使得能够调节摩擦以在表面上显示墙壁，纹理等。

调节摩擦的另一种方法是使用改变的静电力（图8b）。

这里，手指和表面之间的法向力取决于静电力的吸引力，静电力的强度不足以在垂直于表面的方向上感觉到，但是足以改变有效摩擦以显示类似的墙壁和纹理。效果通常不如振动那么强，但静电具有不使用移动部件的优点。在这些方法中固有的是必须通过手指主动探索表面，并且表面仅通过抵抗指尖运动才能耗散能量。有一种方法可以主动推动手指，类似于传统的动觉触觉设备所做的事情：执行器在手指下方横向移动板，同时摩擦力很高，给手指施加力。由于横向运动不能永远持续，因此可以通过使用超声波振动或静电技术降低摩擦并将板重新定位到其原始位置来重置系统，准备再次向手指显示。将来，这种效果可能通过巧妙的材料微观结构设计被动地实现。
 

6.与虚拟现实和增强现实的集成

头戴式虚拟现实显示器以及相关的移动跟踪和创造性虚拟现实内容的开发最近引起了对使用触觉来提高虚拟体验的质量和可访问性的极大兴趣。 事实上，缺乏逼真的触觉反馈是虚拟现实中物体接触和操纵过程中沉浸感的重要障碍 - 达到一个非常引人注目（图形化）渲染的虚拟物体，看到你的手指靠近它，感觉......非常令人失望。 没有。 虚拟现实的咒语被打破了。 在这里，我们探索已经成功使用或正在开发的触觉相关方法，以增强与虚拟世界的互动（图9）。

6.1、遭遇型触觉设备

遇到类型的触觉设备产生物理环境，供用户直接用他或她的整个手探索，而不是依靠用户来保持他们通过其接收触觉反馈的中间设备。前一节中描述的活动表面属于此类别，但要将遇到的触觉设备与虚拟现实无缝集成，还有很多工作要做。使用具有虚拟现实的遇到型触觉设备的主要原因之一是人类用户将看到图形呈现的环境，而不是触觉设备。这意味着触觉设备不需要具有任何逼真的物理外观并且仅需要在接触点处感觉正确。然而，这提出了重要的感测和控制挑战：当手接近物体时预测用户将想要触摸虚拟环境的位置，使得触觉设备可以根据需要定位和塑造自身以便提供期望的触觉体验。

6.2、假性触觉错觉

寻求使用触觉错觉和视觉系统的总体优势来创建带有被动道具和视觉反馈的触觉反馈。这种假触觉反馈可以用来表示对摩擦力、刚度、尺寸和重量的感知。研究人员还寻求将视觉触觉幻象与主动触觉反馈系统结合起来。通过视觉反馈的伪触觉在增强皮肤主动触觉反馈以增加僵硬度方面是有效的。使用单点、欠驱动的触觉装置的空间操作被增强了视觉-触觉反馈，以增加旋转对准的知觉。（東京大学-廣瀬·谷川·鳴海研究室）等人已积极研究在被动形状上改变单一的物理脊，以影响对表面上的凸起或其他特征的触觉感知。然而，这一空间还没有得到充分的探索，特别是与遇到的类型的形状变化的界面的集成，这可以允许许多类型的触觉探索过程。

6.3、触觉重定位

触觉重定向结合了上述遇到型触觉设备和伪触觉的概念。 即使毛毡环境是平坦的，在虚拟环境中移动手的视觉表示也可以暗示曲率。 该相同效果可用于显示角度信息。 在本体感受中利用视觉优势使得能够使用视觉刺激来夸大头部的角位移，这可以用于重定向行走（图9b）。

最近，这种与视觉感知的手部位置的空间扭曲相结合的效果已被用于重定向触摸和抓取形状基元。