在虚拟现实里,你还能有所触觉 | 智能生活

他们利用所产生的制动力来快速渲染所需的肌肉运动知觉反馈,对手指运动施加阻力。至关重要的是,这允许研究团队实现一个非常薄且灵活的触觉界面,并用于在VR中抓取对象。这样的界面同时可以推广至VR之外的领域,比如说增强现实,机器人远程操作和康复应用等等。

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微软做了三个 Haptic Links
的原型设备。每种设计都各有折衷和优势,使其最适合某种特定应用。

触摸式:触手可感

当然,未来的研究尚有很大的空间。团队计划通过印刷更薄的介电层或具有更高介电常数的层叠来将工作电压降低一个量级。较低的电压操作可以:1.令控制电子设备更紧凑,更便宜,因为所有组件均可采用表面贴装格式(SMD);2.令可能担心高电压的用户感到放心;3.简化可穿戴设备的调节流程。

微软研究团队在虚拟触觉方面的这些创新,一方面希望可以激发其它研究者的想象,另一方面也希望能为视障等特殊人群带来新的应用和希望,帮助他们改善生活质量。此外,研究人员还希望这些创新能够鼓励更多的消费产品使用触觉渲染技术。相信触觉产品很快就会让
VR 和 AR 产品更加逼真和身临其境。

FlyJacket。图片来源:EPFL LIS/YOUTUBE

团队为我们带来了DextrES,一种集成静电制动的新型触觉手套。对于这款低重量(低于8g)和高吸持力(超过20N)的设备,它克服了传统解决方案的限制。实验结果表明,DextrES是迈向柔性,灵活,高速可穿戴触觉的一个非常有前景的步骤,其能够传达高度逼真的抓握感。团队对设备进行了四次抓取测试,并发现不同虚拟对象的抓取精度都出现了提升。通过在指尖集成小型压电式致动器,团队进一步提高了抓取精度。

Haptic Links 由几种类型的连接器组成,这些连接器能够在两个手持式 VR
控制器之间提供不同的刚度感受。Haptic Links
可以动态地改变用户双手之间感受到的力量,以支持渲染各种双手使用的物体以及与人之间的交互,使控制器表现得就像一个双手使用的工具。它们可以约束控制器之间的特定自由度或运动方向,也可以设置在一定范围内的刚度,以模拟不同的摩擦、粘度或张力。通过这些方式,Haptic
Links 使 VR 场景中的交互更加真实,给人以身临其境之感。

在测试中,一个人手持粉笔,在虚拟黑板上“书写”,并通过触错觉感受到手指压力:当人们看到粉笔接触黑板并感觉到皮肤被拉伸时,其实他们被指尖的压力愚弄了。

随着可穿戴设备和VR日益流行,更富吸引力且“默默无闻”的可穿戴触觉反馈正变得越来越重要。借助轻量级和“非常低调”的手套,用户无需过多的设备即可从丰富的和高吸持力的触觉中受益,比如说DextrES。

微软研究团队公开了四个最新VR研究成果,分别是CLAW、Haptic Wheel、Haptic
Links、Canetroller,这些技术可以帮助用户实现在VR世界中的触摸感觉,效果如同《头号玩家》。

三种不同的触觉设备:抓握式、穿戴式、触摸式。图片来源:Knowable Magazine

研究团队在两个实验中测试了DextrES的功能。首先,我们在不同的电压水平上建立了最小可觉差(JND),并将其与等效的吸持力和感知刚度值相关联;第二,团队探讨了四种不同抓取的反馈机制对精度的影响。结果表明,DextrES提供了有效的反馈并提高了精度。

Canetroller
提供三种类型的反馈:由可穿戴式、可编程制动器产生物理阻力——模拟虚拟手杖碰到虚拟物体;振动触觉反馈——模拟手杖撞击物体或者划过各种表面时产生的振动;
3D 听觉反馈——模拟真实世界手杖发出的声音。

热播美剧《西部世界》中的黑科技背心。图片来源:Westworld/HBO

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当用户触摸虚拟物体表面时,转轮会上升并接触到指尖,然后开始旋转来模拟指尖与虚拟物体表面的摩擦。

抓取式的设备通常利用的是动觉感受:运动、位置和力的作用产生的感觉,由皮肤、肌肉、肌腱和关节中的神经元传导。穿戴式设备则利用的是皮下神经传导的触觉感受——压力、摩擦或温度。

DextrES是由苏黎世联邦理工学院先进交互技术实验室(Advanced Interactive
Technologies
Lab)研发的触觉手套。设备结合了肌肉运动知觉和皮肤反馈,同时灵活耐磨,十分轻薄(小于8g)。

Chain
原型设备采用由球窝元件组成的高度铰接式链条。一根强力电缆穿过整个链条并连接到每端的推杆电机(linear
actuators)上。通过推杆电机的运动来控制链条的松紧,进一步控制用户的操作空间。

包含微小气囊的仿皮肤材料能提供振动反馈。图片来源:ADAPTED FROM H.A.
SONARET AL / FRONTIERS IN ROBOTICS AND AI2016

研究团队将肌肉运动知觉制动器与安装在每个指尖上的微型振动电机相结合,以发出初始接触事件的信号,并模仿典型的物体操纵循环。由此产生的VR集成允许手指和手部的自由移动。通过现成的组件,控制电子设备的体积可以减少到几厘米,并且功耗非常低(小于100mW),支持电池供电操作,从而为广泛的真实世界应用铺平了道路。

Haptic Links

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来源:yivian 返回搜狐,查看更多

虽然 VR 和 AR 在过去 30
年里取得了巨大的进步——已经能够为用户提供梦幻般的视觉和 3D
音频世界,但当我们伸出手去触摸那些虚拟物体时,幻想就会瞬时破灭,用户触摸到的只有空气。

不可否认,精准操作机器人是非常困难的,但触觉设备能助你一臂之力。

至于触觉,制作五指版DextrES,在更完全成熟的VR和AR场景中进行研究,以及探索不同操作任务中皮肤和动觉反馈之间的相互作用将十分有趣。为了解放AR中的指尖,压电式元件移动到手指侧面,并通过弯曲金属板的振动传递来接触作用力。

Ratchet-Hinge在控制器底部使用类似的球形接头,但用双棘轮结构取代了铰链,能够独立制动向内或向外的运动。当两个棘轮啮合时,齿轮是固定的;两个棘轮都脱开时,齿轮可以自由旋转。当一个棘轮脱开时,齿轮可以在一个方向上自由移动,但不能沿相反方向移动。定向选择性功能可以实现独特的力反馈交互。

它看起来就像是饮料的托盘,有三个铰接的微型机械臂。在它的顶部装设塑料握把后,这个设备就成为了三维的控制杆:三个机械臂会反馈推力,让用户感受到他们正在挤压的物体。在演示中,研究团队使用这些设备来控制无人机和挤压虚拟物体等。

他们的方法基于静电离合器,可通过调节柔性弹性金属条之间的静电吸引力来生成产生电控摩擦力,从而为手指带来高达20N的吸持力。研究团队利用产生的制动力来快速渲染所需的肌肉运动知觉反馈。静电制动器通过3D打印的模块化铰接管安装在食指和拇指上,这能支持金属条流畅滑动。位于指尖的压电式致动器能提供皮肤反馈。

最近,你的朋友圈是不是被科幻电影《头号玩家》刷屏啦?如果有一天,你也进入了那个虚拟的游戏宇宙中,你又想和虚拟物体怎么互动呢?为用户提供身临其境的触觉体验一直是虚拟现实领域最具挑战性的问题之一,也是各个研究团队研究的重点。最近,微软研究团队公开了四个最新的虚拟现实研究成果:CLAW、Haptic
Wheel、Haptic Links、Canetroller,它们能够更好地帮助用户 “触摸”
到虚拟场景中的物体,尽情感受虚拟世界的奇妙。本文译自“Touching the
Virtual: How Microsoft Research is Making Virtual Reality Tangible”

图片来源:DOMENICO PRATTICHIZZO

抓取对象是我们能够在VR中执行的最为有用的技能之一。一个挑战是,一系列的潜在抓取需要手指的自由移动。传统而言,基于手套的外骨骼(在手指上产生制动力,在指尖上渲染局部触觉反馈,或者将两者结合起来)能够支持VR中的反馈。相关设计通常采用复杂的机制,并增加重量,约束手指的运动,或者两者皆有。结果是,我们无法充分利用双手的全部交互能力。

CLAW 的配置和组件;CLAW 模拟用户抓取物体并触摸虚拟物体表面

这些技术的发展都还在起步阶段,但在神经工程和材料科学的进一步推进下,新的触觉设备很可能超越《头号玩家》的新奇设定。令人兴奋又不安的是,当我们的感官增添更多的维度,恐怕死宅们也更难离开虚拟现实了。

人类双手的灵活性使得我们能够执行一系列有用的日常任务,如主动探索表面,以及抓取和移动物体。在虚拟现实中,使用双手进行操作是一种流行的交互方式。它允许我们利用本已掌握的运动技能,或者在模拟真实场景的VR中学习技能。尽管在输入方面已经取得了快速的进步(显示和传感技术),但向双手提供物理反馈的触觉接口在保真度方面仍然落后。特别是,缺乏适当的肌肉运动知觉反馈限制了我们精确操纵,以及将物体放置在3D空间中的能力。

在触觉探索中,另一个难以解决的问题是如何模拟在 VR 或 AR
应用程序中使用双手的情况。
比如说双手拿着一个盒子感觉它的大小,或者使用双手在弓箭上感受到那种拉力。

抓握式:抓好,抓紧

研究团队证明,其方法可以为用户双手的灵巧表达提供丰富的触觉反馈,并在各种不同的握持抓取中提供有效的触觉反馈。受控实验表明,DextrES提高了不同类型虚拟对象的抓取精度。最后,心理物理研究的结果确定了不同吸持力水平的鉴别阈值。

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点击屏幕并获得振动反馈,这已经是智能手机的标配了。随着技术的发展,我们能在屏幕上感受到更多触觉信息吗?

  1. 结论与未来的研究

Layer-Hinge使用球形接头来调节控制器的旋转,使用铰链来控制它们之间的距离。它的优点是能选择性锁定控制器运动时的自由度。此外,它可以相对精确地控制每个关节的摩擦力,使得该装置在铰链和球窝关节中模拟出连续的一定范围内的刚度值。

以手术机器人为例,医生用它实施远程手术,操作非常精细的工具,或者执行人手无法完成的任务。大量研究表明,给手术机器人添加触觉反馈能提高手术精度,减少组织损伤和手术时长。触觉反馈还可以让医生在VR手术中进行零风险训练,同时体验到实际切割和缝合的感觉。

责任编辑:

在不同虚拟环境中,Haptic Wheel 定制的包含不同触觉感受的转轮

工程师们正致力于为电子游戏创造真实的触觉感受,而在人机交互中增加触觉技术,也能加强我们对机器的控制,增强假肢的功能,促进教育,方便导航、沟通甚至在线购物。