虚拟现实 触觉 With References

虚拟现实：触觉在触觉虚拟现实设备中，首先介绍了触觉虚拟现实设备了理论基础和物理原理。

然后我们介绍了触觉虚拟现实设备目前的理论发展情况。

接着，我们介绍了一些桌面式虚拟现实反馈设备，如PHANTOM、MIRAISENS，以及一些穿戴式虚拟现实反馈设备，如CyberGrasp、中视典数据手套。

最后，我们展望了触觉虚拟现实理论基础在今后能够有哪些改良和发展，以及触觉设备在今后能够有那些方面的提升和创新。

一、背景虚拟现实技术是一种有效的模拟人在自然环境中视、听、动等行为的高级人机交互技术。

在实现了视觉体验与听觉体验的高度结合之后，虚拟现实技术开始朝人类的触觉感官进发。

触觉源自于希腊语“Haptesthai”，意思是解除物体的感觉，触觉指的是人通过皮肤对热、压力、振动、滑动以及物体表面纹理、粗糙度等特性的感知。

触觉反馈是指在人机交互过程中，计算机对操作者的输入做出响应，并通过触觉反馈设备作用于操作者的过程。

二、工作原理触觉反馈的虚拟现实系统由操作者、触觉反馈设备和虚拟环境组成。

触觉反馈设备的主要功能是利用传感器测量操作者的运动和位置，将数据实时、准确地输入计算机，并且将虚拟环境中生成的力感和触感反馈给操作者，让操作者又身临其境的沉浸感。

虚拟环境接受由传感器传入的数据，根据一些特定的算法生成三维图像和控制信号，分别传给显示设备和触觉反馈设备。

三、理论研究力觉和触觉的生成研究最早可追溯到1954年。

在远程控制的核环境集成机器人系统中，德国科学家开展了力觉生成的研究。

经过几十年的缓慢发展，人们逐渐意识到触觉的生成和反馈具有广泛的应用前景。

近年来，触觉再现技术的重要性已被广泛认识并开始得到重点研究。

美国的斯坦福大学、哈佛大学、西北大学、华盛顿大学、麻省理工学院等先后开展了触觉建模和触觉再现的研究。

目前，最常见的力觉和触觉生成算法是利用PHANTOM设备，根据虚拟物体的刺穿深度运用虎克定律计算接触力。

当用户手指操作PHANTOM设备与虚拟环境交互，作为手指化身的“Avatar”接触到虚拟物体时，Massie和Salisbury提出用弹簧线性力学模型来模拟它们之间的力学关系，运用虎克定律计算作用力，并且反馈到用户的真实手指上。

依据虚拟物体刺穿深度的不同求解方法，该方法又可分为基于点的接触力生成算法和基于射线的接触力生成算法。

国内对触觉生成也展开了相关研究。

浙江大学CAD&CG国家重点实验室的杨文珍等通过试验得到指尖接触力与接触面积之间关系的数据样本，利用回归方程建立两者之间关系的经验公式，然后以虚拟指尖接触面积为变量计算出指尖接触力。

采用软手指接触模型。

依据虚拟手最小平衡力抓持假设，用近似摩擦锥等作为优化目标函数来求解抓持力，并最终在虚拟环境中进行了实现。

东南大学的吴涓和宋爱国等提出了一种基于物理意义的快速力反馈形变模型和实时力觉相应算法。

该方法不仅计算速度快，可以满足力反馈的实时性要求，而且能够同时保证接触力和形变的计算具有较高的精度。

四、产品开发1.桌面式反馈设备桌面式反馈设备通常是固定在桌面或者是地面上的，更像是一个小型的机器人。

操作者控制这些桌面式反馈设备的末端进行操作。

反馈设备通过检测末端点的位置来计算力的大小，通过驱动装置来给操作者提供触觉反馈的感觉。

（1）Phantom由美国Sensable公司生产的“Phantom”是一个典型的桌面式反馈设备，在世界范围内都用得很广泛。

在Phantom发明之前，电脑使用者仅能凭借看或是听和电脑或设备互动，而在很多任务或工作中都扮演着最重要角色的触觉，很显然的被忽略了。

Phantom的出现改变了这样的情况。

就像使用者通过屏幕看见影像，通过音响装置听见合成声音一般，Phantom可以让使用者触摸并且可操作虚拟的物体。

Phantom是一款具有优越性能，符合人体工程学，支持所有常用的软件又同时兼具美感的低价位产品。

它专为商业用途而设计，可以经过EPP连接电脑，使用一般的电压即可。

笔尖内的编码器能感应到6自由度左右的范围。

本产品携带方便，具有设计良好的底座，一般接口以及安装简便的多项优点。

Phantom设备可以提供大概为人的整个手臂绕肩部旋转的运动范围。

他包括了一个指套或万向节把手（二选一），可以提供3个自由度的位置感应和3个自由度的力反馈。

可编程万向节铁笔可以对另外的3个位置感应进行测量。

用户可以选择安装可编程铁笔、指套和用于进行手臂装配的万向节把手（需单独购买）。

Premium 3.0设备通过并口（EPP类型）与PC连接。

支持的操作系统很多，可以在各种系统中运作。

PHANTOM Premium 3.0 HF (高强度力感)设备可以提供更强的力感，该版本的设备包含了内置的齿轮箱选项。

力反馈设备的应用领域十分宽泛，军事、医疗、游戏、模拟仿真、虚拟现实、远程操控等等很多领域都是它一展拳脚的舞台，这款SensAble PHANTOM Omni Developer Kit力反馈设备在以上领域的表现也十分出众。

不要觉得力反馈设备太高端而对它敬而远之，其实民用力反馈设备比比皆是，力反馈设备等待您的关注。

使用视频：/programs/view/onUKRyLQ4sI/?resourceId=82212802 _06_02_99（2）MIRAISENS在实现了视觉体验与听觉体验的高度结合之后，虚拟现实技术开始朝人类的触觉感官进发，最近，一家名为 MIRAISENS 的日本科技公司公布了一款3D 触觉技术，让你能够“摸”到虚拟物品。

隶属于日本产业技术综合研究所的Miraisens公司日前在筑波市举办的一场媒体预展中公布了一款能“摸”到的虚拟3D成像产品。

这项即将进军市场的技术将会有助于提升人们的虚拟现实体验，使人们能够亲手“触摸”到电脑中本不存在的虚拟物品。

通过物理增强器来实现与虚拟现实的无缝拼接并非易事，所以MIRAISENS 的3D 触觉技术需要体验者带上一款虚拟现实头戴设备（比如Oculus 的系列产品），在与手腕套上相应的体验装置连接之后，通过手腕装置对手持装置的触觉模拟，便能使体验者感觉仿佛在触摸真实的物体。

目前研发者已经可以制作出硬币状、棒状、笔状或其他简单形状的外部设备。

作为该项技术的世界领跑者，Miraisens公司表示，希望未来能够推动这项技术在电子产品业和服务业领域的商品化。

该公司也预想了未来该项技术的多种用途。

例如，可将此项技术植入游戏控制器中，使玩家在游戏中做出推、拉等具体动作时，能够亲手感受到来自控制器的实际阻力，强化游戏体验。

也可以尝试将该设备转化为数据输入3D打印机，让孩子有机会亲手打印出仿佛真实存在的恐龙模型。

另外，该技术未来还可能在医疗等领域发挥作用，例如协助医生进行远程遥控手术操作，或制作具备辅助导航功能的盲人手杖等。

不得不说的是，虚拟游戏算得上此技术的绝佳应用领域，通过开始按键开启体验之后，体验者能够更真实地感受游戏内的虚拟物体。

这款触觉模拟装置也可同其它穿戴式设备完美兼容，其功能不仅限于通过压力来产生触感，其甚至可以模拟肌肉的运动感。

此技术还可应用到工业生产中，因为物理触感的加入，能够在生产过程中对机器人实现更精确的远程操作。

MIRAISENS的3D触感技术测试版装置计划在2015年春季面世，在此之前，公司会于2014年11月在美国开设一间技术研究工作室。

2. 可穿戴式反馈设备可穿戴式反馈设备主要指的是那些需要佩戴在手或者手臂上的反馈设备，这些反馈设备的驱动形式又电机驱动、液压驱动、气压驱动、磁力驱动和电流变体驱动等等的方式，这些方式的研究给可穿戴式设备的发展带来了可能。

（1）CybergraspCybergrasp是Virtual Technologies公司在Cyber2 Glove的基础上开发的仅有的一款商用力反馈数据手套，他像是盔甲一般的附在CyberGlove上。

使用者可以通过CyberGrasp的力反馈系统去触摸电脑内所呈现的3D虚拟影像，感觉就像触碰到真实的东西一样。

该产品重量很轻，可以作为力反应外骨骼佩戴在CyberGlove数据手套（有线型）上使用，能够为每根手指添加阻力反馈。

使用CyberGrasp力反馈系统，用户能够真实感受到虚拟世界中电脑3D物体的真实尺寸和形状。

接触3D虚拟物体所产生的感应信号会通过CyberGrasp特殊的机械装置而产生了真实的接触力，让使用者的手不会因为穿透虚拟的物件而破坏了虚拟实境的真实感。

护套内的感应线路是特别为了细微的压力以及摩擦力而设计的，而5支手指上的马达则是采用高质量的DC马达。

使用者手部用力时，力量会通过外骨骼传导至与指尖相连的肌腱。

一共有五个驱动器，每根手指一个，分别进行单独设置，可避免使用者手指触摸不到虚拟物体或对虚拟物体造成损坏。

高带宽驱动器位于小型驱动器模块内，可放置在桌面上使用。

此外，由于CyberGrasp系统不提供接地力，所以驱动器模块可以与GrapPack 连接使用，具有良好的便携性，极大地扩大了有效的工作区。

该装置施加遍及运动范围的大约垂直于指尖的抓取力和可以单独指定的力。

CyberGrasp系统可使手部在整个运动范围内运动，但并不妨碍佩戴者的动作。

该装置是完全可调的，其设计的目的是适应各种各样的手。

在用力过程中，设备发力始终与手指垂直，而且每根手指的力均可以单独设定。

CyberGrasp系统可以完成整手的全方位动作，不会影响佩戴者的运动。

视频：/v_show/id_XMTA4ODg0NjU2.html（2）中视典数据手套中视典开发的数据手套是一种通过软件编程，在虚拟现实环境中实现抓取、移动、旋转等类似于真实环境中的物理操作及反应这些操作所带来的触感的一种多模式虚拟现实硬件。

利用其本身的多模式特性，可以成为一种控制场景漫游和操作的工具硬件。

数据手套的出现，为虚拟现实提供了一种更为接近人类感知习惯的交互工具，不仅更加符合人类对于细微虚拟现实场景中的操作习惯，同时也更好的适应了人类较为敏感的手部神经，以达到更好的体验感和交互性，是一种非常接近真实自然的三维交互手段。

目前，触感数据手套被广泛应用在工业、军事、科研的复杂虚拟场景操作和物理模拟工总，也被用于数据可视化领域，不仅可以让用户体验到真实物体的移动和反应，也能够探测出所模拟物体、模型的表面密度、水含量、磁场强度、光照强度和振动强度等。

同时，在医疗和机器人领域，数据手套也用于虚拟远程机械手控制和远程医疗等方面。

五、发展前景在理论研究上，用户在虚拟环境中进行操作不单只需要一个力的感觉，更需要感受和在现实世界中进行操作一样的真实力反馈。

目前的研究大部分是基于刺穿深度和虎克定律的力觉生成方法。

今后的研究应将更多的虚拟物体的物理属性加入到力触觉生成算法中，如重力、空气阻力、摩擦、硬度等。