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device,作為一種控制場景漫游的工具 什么是觸覺式人機交互

發布時間: 2020-03-22 16:51

觸覺被稱為感覺之母,是人類與外界交流的重要通道。人與自然界交互時,觸覺時時刻刻都在發揮著作用,軟硬、摩擦、冷暖以及人類進行更復雜的情感交流等信息都通過觸摸來感知實現。與此形成巨大反差的是,在人與機器交互時,觸覺交互仍然處在萌芽期。例如計算機通過顯示器、頭盔、立體聲耳機等設備給人呈現逼真的視覺體驗和聽覺體驗,但在交互過程中用戶能夠獲得的觸覺體驗極為貧乏。

借助觸覺交互技術,人與計算機的交互能夠為用戶提供觸摸虛擬物體的觸覺體驗(如接觸力、柔軟度、紋理、重量、振動、溫度等),顯著增強虛擬現實(VR)系統的交互體驗。其應用領域包括虛擬手術觸感訓練、航空航天復雜裝備設計裝配的觸覺仿真、互動觸覺體驗電影和體感交互娛樂等。在人與機器人交互方面,觸覺交互將實現人機密切接觸,保證安全柔順的人機協作。其應用領域包括士兵穿戴式外骨骼、肢體康復設備、空間站機器臂力反饋遙控操作等。

與視聽覺人機交互的廣泛應用相比,觸覺交互尚處于基礎研究和技術攻關階段,大規模應用還很少,其原因在于觸覺交互系統的復雜性。觸覺交互系統是一個“人在回路”“離散和連續環節共存”的生機電混合閉環控制系統,蘊含了人(操作者)、機(虛擬環境)、觸覺交互接口設備三大要素的實時交互控制過程。有效的觸覺交互系統的構建,依賴于機器人學、計算機科學、自動控制、生理學、神經科學等學科知識的有效融合。

從人機信息流動的視角來劃分,觸覺交互研究存在三個方面的問題:(1)觸覺信息感知。由于觸覺交互系統的指令來自操作者的隨機輸入,難點在于機器如何準確感知人的交互動作、意圖以及如何實時、準確地測量人與機器接觸時的多維度作用力和力矩。(2)觸覺信息呈現。難點在于高實時性(1kHz更新頻率)、高逼真度(建模和仿真誤差小于人的力觸覺感知閾值)地模擬再現物體接觸交互時的豐富力學屬性(硬度、摩擦、阻尼、振動等)。(3)觸覺交互接口設備。難點在于觸力覺反饋設備屬于多自由度特種機器人,存在反向驅動性和可變阻抗控制的雙重特性,需要保證“操作者-觸覺反饋設備-虛擬環境”閉環回路的控制穩定性,否則會導致交互感受失真乃至傷害操作者。

理解人的觸覺生理特性是開發有效的觸覺人機交互系統的前提。力觸覺包括了人體兩類感受器:位于皮膚真皮層和表皮層的觸覺感受器(tactile receptor),相應誘發的感受稱為觸覺反饋;位于關節和韌帶內的感受器(kinesthetic receptor),相應誘發的感受稱為力覺反饋。為模擬這兩類感受,相應的交互設備分別稱為力覺生成(force feedback device)設備和觸覺生成(tactile feedback device)設備;相應的生成方法分別稱為力覺生成(force rendering)方法和觸覺生成(tactile rendering)方法。

力覺交互設備是連接操作者和虛擬環境的紐帶,其性能優劣程度決定了交互系統是否能夠成功完成預期的仿真任務。根據Salisbury給出的評價交互設備性能的定性標準,研究人員總結出了定量評價力反饋設備性能的六項關鍵指標,即自由度、工作空間、位姿分辨率、輸出力/力矩、反向驅動性能和可模擬剛度。

力觸覺生成算法是計算和生成人與虛擬物體交互力的過程,是力觸覺人機交互技術的軟件核心,是使人感受到虛擬環境豐富多彩的關鍵。力觸覺生成與圖形繪制渲染的區別在于:實時圖形渲染的刷新頻率為30Hz,而實時力觸覺渲染要求刷新頻率至少在1kHz以上;圖形顯示是計算機呈現給人的單向的信號流動,而力觸覺是人機之間的閉環信號和能量交互,因此圖形渲染只需要保證視覺逼真性即可,而力觸覺渲染對計算模型的穩定性和逼真性都提出了更嚴格的要求。力覺渲染算法的設計首先必須考慮穩定性要求,同時必須滿足逼真性、穩定性和實時性的權衡。因為力覺顯示只有符合物體交互的物理規律,才能夠給操作者的力觸覺感受器以真實的刺激。如何建立具有真實感的力學模型,又能保證穩定性和計算快速性,是力觸覺生成和渲染方法面臨的挑戰。

在PC時代,力觸覺交互的主流方式是通過固定在桌面的多關節力反饋交互設備進行。近年來隨著傳感器、機器人等技術的飛速發展,涌現出大量桌面式力覺交互設備。例如SensAble公司的Phantom系列、Force Dimension公司的Omega和Delta系列等商用設備。安照機械結構進行劃分,力覺反饋交互設備可分為串聯機構和并聯機構。按照控制方式,力覺交互設備可分為阻抗再現式和導納再現式。桌面式力反饋設備的交互隱喻是用戶通過一個手柄與虛擬環境交互,虛擬化身為一個六自由度運動剛性工具,例如手術器械或螺絲刀等工具。典型的應用場景包括力反饋手術模擬器、飛機發動機力反饋裝配模擬系統等。

高性能的虛擬現實系統應具有三個本質特征,即沉浸感、想象性和交互性(3I:Immersion,Imagination,Interaction)。力觸覺人機交互對于保證虛擬現實系統的3I特性具有不可或缺的地位,其作用在于通過視聽觸多感覺融合增強沉浸感,通過人與虛擬環境的雙向交流增強交互性,通過“所見即所觸”提供更加豐富多彩的仿真應用。在虛擬現實時代,用戶通過自己的身體直接與虛擬場景的物體進行交互。一個最重要的交互方式是通過人手來控制虛擬場景的虛擬手化身對虛擬物體進行交互操作。為了滿足虛擬現實環境中移動交互的需求,可穿戴的力反饋數據手套為增強用戶體驗提供了新的可能。人們在日常生活和工作中,經常進行抓取、觸摸等手部動作,利用數據手套可進行虛擬場景中物體的抓取、移動、旋轉等動作,也可以利用它的多模式性,。


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