定义:触觉(Touch)是人们从客观世界获取信息的重要传感渠道之一,它由接触反馈感知和力反馈( Force Feedback)感知两大部分组成。科研人员试验证明,不带触觉的虚拟现实在任何时候都会遇到挫折和困难。因此,在建立虚拟环境时,提供必要的接触和力反馈有助于增强VR系统的真实感和沉浸感,并提高虚拟任务执行成功的概率。
触觉感知包括接触反馈和力反馈所产生的感知信息。接触感知是指人与物体对象接触所得到的全部感觉,是触觉、压觉、振动觉以及刺痛觉等皮肤感觉的统称。所以,接触反馈代表了作用在人皮肤上的力,它反映了人类触摸的感觉,或是皮肤上受到压力的感觉;而力反馈是作用在人的肌肉、关节和筋腱上的力。例如,用手拿起一个玻璃杯子时,通过接触反馈可以感觉到杯子是光滑而坚硬的,而通过力反馈才能感觉到杯子的重量。
由于人类对自身感觉的产生机制还知之甚少,触觉传感器技术分析非常复杂,且在VR系统中对触觉和力反馈设备还有实时、安全、轻便等性能要求,因此目前虽已研制成了一些触觉和力反馈设备,但大多还是原理性和试验性的,距离真正的实用尚有一定的距离。
1.接触反馈设备 接触反馈的方式包括充气式、振动式、微型针列式、温度激励式、压力式、微电刺激式及神经肌肉刺激式等。手是实施接触动作的主要感官,因此,目前最常用的一种模拟接触反馈的方法是使用充气式或振动式接触反馈手套。
(1)充气式接触反馈手套是使用小气囊作为传感装置,在手套上有20~30个小气囊放在对应的位置,当发生虚拟接触时,这些小型气囊能够通过空气压缩泵的充气和放气而被迅速地加压或减压。同时,由计算机中存储的相关力模式数据决定各个气囊在不同状态下的气压值,以再现碰触物体时手的触觉感受及其各部位的受力情况。用这种方法创建的模拟触觉反馈工具虽然还不十分逼真,但已经取得了较好的效果,引起了技术界和用户的浓厚兴趣。
(2)振动式接触反馈手套是使用小振动换能器实现的,换能器通常由状态记忆合金制成,当电流通过这些换能器时,它们就会发生形变和弯曲。因此,可以根据需要把换能器做成各种形状后,安装在皮肤表面的各个位置上,就有可能产生对虚拟物体的光滑度、粗糙度的感觉。与气囊不同的是,换能器几乎可以立刻对一个控制信号做出反应,这使得它们很适合产生不连续、快速的感觉。而气囊产生的接触反馈比状态记忆合金要慢些、强些,更适合表现一些缓慢、柔和的力。
2.力反馈设备。
对于像研究物理磁性的相斥和相吸等应用问题来说,没有力反馈设备的系统几乎是没有任何意义的。因此,为虚拟环境提供一定的力反馈系统,不但有助于增强虚拟交互的逼真性,而且有时它也是一种必需的设备。目前已创造了一些用以提供力反馈的装置,如力反馈手套、力反馈操纵杆、吊挂式机械手臂、桌面式多自由度游戏棒以及可独立作用于每个手指的手控力反馈装置等。
桌面式力反馈系统设备安装简单、使用轻便灵巧,并且不会因自身重量等问题而让用户在使用中产生疲倦甚至疼痛的感觉,因此目前已经成为较为常用的力反馈设备。
这是一种可编程的、具有触觉及力反馈功能的装置。它类似于一个小型机械手,对于三维虚拟模型或数据具有定位功能,当 PHANTOM的机械臂在工作空间中运动时,计算机屏幕上就会出现一个指示针,反映机械臂在工作空间中的位置;当探测到指示针与虚拟模型接触时,计算机会发出信号,告诉机械臂接触到了虚拟模型,并将该模型的物理性质,如质量、软硬程度及光滑程度等信息反馈给 PHANTOM系统,再由该系统产应的力传递给操作者,从而实现力反馈的感受。
力反馈手套可以独立反馈每个手指上的力,主要用于完成精细操作。