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从触觉手套到触觉衣,如何在VR和AR中更好实现haptic?

2016-09-28 Patrick Mannion,赵娟 阅读:
精确的传感比你想象的更难实现,更别提在指尖来重现它。这就是说,一些有趣的技术,像“超触觉”和“Shock-suit”这样的,可能会激发一些灵感。

AR和VR系统是有趣的,同时也为远程触觉技术带来创新的使用环境。受益的不仅是游戏玩家和普通消费者,也能让外科医生远程执行手术。也就是说,良好的远程触觉远远超出力反馈或微小电机产生小的震动(来自我们的手机)。 xRFednc

在AR或VR的背景下,我们有很多方法来感测用户的运动、并反馈到系统中。我们可以利用用户身上的运动传感器、或者外部照相机、或反射光束。xRFednc

连接并控制一台机器,我们需要联网手套,甚至新的Myo armband。然而,当涉及到触摸虚拟、或远程可视化对象,从而获得准确的感官反馈,让指尖感触到其形状、质地、压力反应等特点,这就需要把握我们的手指如何工作的各个基本面。xRFednc

远程医疗已经被广泛研究,但其原理也是适用于AR和VR的。xRFednc

当我们用我们的手指去探索一个物体的刚度、阻尼、质地、滞后及其他特点时,我们会紧握其表面,并用两个主要类别的传感器来收集相关的数据。第一是动觉,这是指在四肢感应到的基本几何形状和压力数据(例如位置,关节的速度和致动力)。第二类是触觉,同时使用皮肤和皮下传感器。xRFednc

在医疗系统中,远程触觉系统(RHS)包括一个远程机械手用来探索动作、一个触觉感知通道用来向操作器返回信息。动觉、触觉信息均需要被传达并显示。心理学证明,如果触觉信息缺失、那么触觉辨别能力也会显著降低。xRFednc

这当然是有道理的,因为我们需要能够高分辨率的去“感觉”我们的触摸。但是精确的传感比你想象的更难实现,更别提在指尖来重现它。这就是说,一些有趣的技术,像“超触觉”和“Shock-suit”这样的,可能会激发一些灵感。xRFednc

与此同时,研究人员开始利用一点心理学知识,来消除真实世界和感测世界之间的差距。他们推测:xRFednc

“区分触摸对象柔软度所需要的一大部分触觉信息,被包含在接触物接触面上的接触力中,或者手指在物体上增加压力时接触面的扩展率中。”xRFednc

他们称这种关系为接触面积扩展率(CASR),虽然表达不完善,这种扩展可能是一个触摸完整传感的替代者。研究人员随后开始调查以触觉数据的简化形式来传达足够信息的可能性:xRFednc

“…柔软度的分辨很让人满意,能用于实际应用。”xRFednc

为了证明了推测,该团队为压电(压阻也行)材料的每侧都涂覆了金属导电层(metallic conductive),并跨导电层放置合适的仪器来测量其电压:分别为电荷放大器或惠斯登电桥和差分放大器(图1)。xRFednc

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图1:研究人员发现,用相对简单的技术来获得足够的触觉信息,去控制触觉显示器或反馈机制是可行的。(在本案例中用两面都涂有金属导体的压电材料层)xRFednc

被测量信号包括两个随时间变化的模拟信号(力和接触的面积),来对应需要在时间和空间域被同时采样的随时间变化的压力的空间分布情况。经过众多学科的直接和心理实验后,研究小组证实设备能提供足够的信息来控制触觉显示。xRFednc

以下展示一些业界先驱产品:

Teslasuit:全身触觉反馈套件xRFednc

用于更具交互性的VR体验的Teslasuit是一个全身触觉外套,唯一美中不足的是,它是使用电信号刺激肌肉或皮肤表面来提供反馈。 xRFednc

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图2:在VR、甚至是AR中都很难完全复制人的感觉。Teslasuit是一个Kickstarter的项目,使用微型电极编织的材料编织来刺激肌肉。基本上是触电的感觉。 xRFednc

作为一个Kickstarter项目Teslasuit曾筹到一些钱,但在2月份还是取消了。也许让用户触电并不是最好的方式。xRFednc

Ocean One水下机器人xRFednc

斯坦福大学研发的Ocean One水下机器人:采取AI+触觉反馈的协同工作方式,让机器人手部能够感受到所抓取物体的重量与质感,再施加以适当力道抓取,这样就能够抓取到易碎物品了。此外还拥有平衡设计,可以让它即使在身体晃动的情况下,通过手臂调整也能保持双手的稳定。xRFednc

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Ocean One背面安装了计算单元、电池、推进器,能够在水下自由航行。身高5英尺,有用两只铰接机械手臂,八只推进器。 xRFednc

控制员拥有者机器人视角,就与看见自己手臂的视角很像。xRFednc

多种触觉反馈手套xRFednc

触摸虚拟现实的手部交互设备已经上市很多种类,有的加入了惯性测量单位,用足够的敏感度准确地跟踪位置,速度和运动方向;有的设置了许多小型触觉振动器,每个振动器可以独立编辑不同强度的触感压力,该振动器能产生单一频率或持续性的振动,还可以感受到虚拟物体的外形等。xRFednc

在此拼个图给大家欣赏一下。xRFednc

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