表面触觉再现技术现状和评估方法.docx

该【表面触觉再现技术现状和评估方法 】是由【科技星球】上传分享，beplayapp体育下载一共【52】页，该beplayapp体育下载可以免费在线阅读，需要了解更多关于【表面触觉再现技术现状和评估方法 】的内容，可以使用beplayapp体育下载的站内搜索功能，选择自己适合的beplayapp体育下载，以下文字是截取该文章内的部分文字，如需要获得完整电子版，请下载此beplayapp体育下载到您的设备，方便您编辑和打印。表面触觉再现技术现状和评估方法??燕学智,李瑞格,武秋爽(吉林大学通信工程学院,长春130022)近年来,智能手机、平板电脑等多媒体终端日益普及,成为应用最为广泛的人机交互媒介[1],触摸屏技术也成为当下最为普遍的交互方式之一。然而,绝大多数触摸屏操作依赖于视觉和听觉[2-3],仅有大约15%的信息来自触觉,相比于视听交互技术的迅速发展,触觉交互技术研究仍处于起步阶段。触觉反馈的缺失会降低操作效率和用户体验[4],限制触摸屏产品在嘈杂和视觉障碍环境中的应用。2001年,Robles-de-la-Torre和Hayward[5]在Nature上撰文证明人类对物体形状的触觉感知取决于手指受到的作用力,为触觉再现技术的实现提供了重要的理论依据。早期的触觉再现研究主要针对间接式力触觉反馈技术,研究者主要通过鼠标、机械臂、指点杆等媒介间接控制力触觉感知。典型应用包括Rosenberg和Brave[6]的力反馈操作杆、Sensable公司的笔式触觉再现设备(Phantom设备)和IBM公司[7]的trackpoint力反馈设备等。上述力触觉再现设备能够产生几牛顿量级的触觉感知,模拟多种触觉感受,在机器人遥操作、军事、医学等方面发挥了重要作用[8]。然而,该类设备的触觉接口与视觉接口分离,难以再现复杂精细的特性信息[9],在多目标复杂任务中甚至会干扰目标选择,且装置体积较大,携带不便,难以与现有的多媒体终端产品结合应用。相比之下,表面触觉再现技术具有体积小、功耗低、集成性高等优势,易与现有触摸屏产品集成应用,成为多媒体终端触觉再现的最佳选择。表面触觉再现技术可通过裸指触摸屏幕来感知视觉对象的形状、纹理等触觉特征,利用人类的触觉感知通道提高人机交互操作的真实性和沉浸感,在生活、娱乐、教学、军事等领域展现出独特优势[10]。现有的表面触觉再现技术的现状研究大多集中于两方面:①对典型的原理样机设备的具体介绍;②对触觉再现技术的简单比较和重难点分析。2006年,陈旭和宋爱国[11]对针式振动触觉再现、空气压力触觉再现、静电阵列触觉再现和锯齿表面触觉再现设备进行具体介绍和简单的性能比较。2007年,王爱民和戴金桥[12]分别对力觉再现技术和触觉再现技术的研究进展进行介绍。2008年,陆熊和宋爱国[13]也从上述两方面着手,分类介绍国内外的研究现状及相关应用。2008年,Chouvardas等[14]对手指皮肤结构和典型的触觉再现设备进行介绍。2011年,郝飞等[15]对振动式、压力式、电刺激式和温度刺激式设备进行介绍,并简单比较了4种方式的性能。然而,上述研究所提设备多为早期的穿戴式或体积较为庞大的非表面触觉再现设备,未对近年来的成果进行系统性的分析和总结。除此之外,由于表面触觉再现原理多样,设备性能受多种因素影响,导致该领域评价标准表述不一,难以得出有效的性能评价。现有研究对设备的各项性能评价均过于主观,未给出客观可信的评估标准,制约了表面触觉再现技术的设计开发与实际应用。本文对近十年的表面触觉再现技术进行了介绍。根据表面触觉再现原理的不同,将现有技术分为振动式、压力式、压膜式、静电力式和电刺激式,详述5种技术的工作原理、性能指标和优缺点,对该领域的最新进展进行梳理和完善。针对现有评价方式过于粗糙和主观的问题,提出了一种表面触觉再现技术的评估方法。通过制造难度、工作区间、可调范围、感知强度、功率损耗、再现效果和用户体验7种性能指标来全面评价现有设备,采用专家打分法和层次分析法获得4种设备在每种性能指标下的权重,为各领域选择和评价所需设备提供参考,弥补了现有评价方式的缺陷。本文将所提方法应用于多媒体终端领域,得到4种设备在该领域下的7种性能指标合成权重及性能排序,为设备的终端应用提供参考。总结现有设备的不足,讨论未来的研究和改进方向。1表面触觉再现设备表面触觉再现设备通过在皮肤表面产生轻微刺激,使皮肤浅层感受器兴奋进而引起各种感觉,增加交互过程中的沉浸感。现阶段多媒体设备趋向小型化、智能化和便捷化,设计扩展性强和兼容性好的轻便型表面触觉再现设备成为研究重点。下面将具体介绍5种不同类型的设备,并总结设备的优势与不足。、音圈电机等各种振动器使装置部分或整体振动,刺激操作者手指产生振动触感。按照振动方式的不同,可将振动式表面触觉再现设备分为形状表面触觉再现设备和分布式振动表面触觉再现设备2类[16]。前者通过振动器控制插针阵列等皮肤接触器的升降位移再现触觉,后者则通过分布排列的振动器施加固定频率振动使皮肤产生形变再现触觉,2种设备的触觉再现原理如图1所示。虽然形状表面触觉再现设备中并无明显的振动环节,与现有对振动设备的认知不符,但早期的振动式表面触觉再现设备定义较为广泛,所有依靠振动器直接产生振动或间接带动接触器产生振动的设备都可归类为振动式表面触觉再现设备。,Ikei等[17],使插针产生5~57μm位移,用以刺激手指皮肤,如图2所示。该设备可产生10种可区分的感知量级,但装置体积较大,且触感微弱。2000年,Hayward和Cruz-Hernandez[16]研制出一种形状表面触觉再现设备,由皮肤接触器、黄铜薄膜、压电致动器和控制系统组成,在±200V电压下产生±5mm位移,振感较强烈,但工作区间仅为12mm×12mm,且分辨率低,如图3所示。2002年,Wagner等[18]研制出一种针式形状表面触觉再现设备,36个RC伺服电机带动6×6的插针阵列运动,可再现16种简单形状,如图4所示,但插针转换速率仅为38mm/s,且整体再现范围过小,触觉再现效果受限。图2Ikei表面触觉再现装置原理及结构[17][17]图3Hayward表面触觉再现设备[16][16]图4触觉显示样机[18][18],Yatani和Truong[19]研发出SemFeel设备,将5个振动电机嵌入手机后端,通过调节电机振动强度再现定位、线性、循环等11种振动模式,如图5所示。该设备可帮助用户区分不同的按钮操作,准确度可达90%,但设备体积较大。图5SemFeel设备[19][19]2010年,韩国Yang等[20]研制出T-mobile设备,可为手机提供线性和循环2种方向信息,如图6所示。该设备由12个振动嵌板组成,每个嵌板均可独立控制,加载8种PWM信号,同一嵌板振动间隔需超过18ms,不同嵌板振动间隔需超过24ms,但设备的振动嵌板体积过大且与显示器脱离,携带不便。