DextrES是由蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院先進(jìn)交互技術(shù)實(shí)驗(yàn)室(Advanced Interactive Technologies Lab)研發(fā)的觸覺手套。設(shè)備結(jié)合了肌肉運(yùn)動(dòng)知覺和皮膚反饋，同時(shí)靈活耐磨，十分輕薄(小于8g)。
他們的方法基于靜電離合器，可通過調(diào)節(jié)柔性彈性金屬條之間的靜電吸引力來生成產(chǎn)生電控摩擦力，從而為手指帶來高達(dá)20N的吸持力。研究團(tuán)隊(duì)利用產(chǎn)生的制動(dòng)力來快速渲染所需的肌肉運(yùn)動(dòng)知覺反饋。靜電制動(dòng)器通過3D打印的模塊化鉸接管安裝在食指和拇指上，這能支持金屬條流暢滑動(dòng)。位于指尖的壓電式致動(dòng)器能提供皮膚反饋。
研究團(tuán)隊(duì)證明，其方法可以為用戶雙手的靈巧表達(dá)提供豐富的觸覺反饋，并在各種不同的握持抓取中提供有效的觸覺反饋。受控實(shí)驗(yàn)表明，DextrES提高了不同類型虛擬對象的抓取精度。最后，心理物理研究的結(jié)果確定了不同吸持力水平的鑒別閾值。
1. 介紹
人類雙手的靈活性使得我們能夠執(zhí)行一系列有用的日常任務(wù)，如主動(dòng)探索表面，以及抓取和移動(dòng)物體。在虛擬現(xiàn)實(shí)中，使用雙手進(jìn)行操作是一種流行的交互方式。它允許我們利用本已掌握的運(yùn)動(dòng)技能，或者在模擬真實(shí)場景的VR中學(xué)習(xí)技能。盡管在輸入方面已經(jīng)取得了快速的進(jìn)步(顯示和傳感技術(shù))，但向雙手提供物理反饋的觸覺接口在保真度方面仍然落后。特別是，缺乏適當(dāng)?shù)募∪膺\(yùn)動(dòng)知覺反饋限制了我們精確操縱，以及將物體放置在3D空間中的能力。
抓取對象是我們能夠在VR中執(zhí)行的最為有用的技能之一。一個(gè)挑戰(zhàn)是，一系列的潛在抓取需要手指的自由移動(dòng)。傳統(tǒng)而言，基于手套的外骨骼(在手指上產(chǎn)生制動(dòng)力，在指尖上渲染局部觸覺反饋，或者將兩者結(jié)合起來)能夠支持VR中的反饋。相關(guān)設(shè)計(jì)通常采用復(fù)雜的機(jī)制，并增加重量，約束手指的運(yùn)動(dòng)，或者兩者皆有。結(jié)果是，我們無法充分利用雙手的全部交互能力。
為了應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院先進(jìn)交互技術(shù)實(shí)驗(yàn)室的Ronan Hinchet，Velko Vechev，Herbert Shea和Otmar Hilliges等人研發(fā)了DextrES。這是一種手指式觸覺機(jī)制，在向內(nèi)彎曲時(shí)能夠?yàn)槊總€(gè)手指帶來高達(dá)20N的吸持力。研究團(tuán)隊(duì)的新方法基于靜電吸引力，主要是在兩個(gè)帶電金屬條之間產(chǎn)生快速受控的制動(dòng)力。
他們利用所產(chǎn)生的制動(dòng)力來快速渲染所需的肌肉運(yùn)動(dòng)知覺反饋，對手指運(yùn)動(dòng)施加阻力。至關(guān)重要的是，這允許研究團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)一個(gè)非常薄且靈活的觸覺界面，并用于在VR中抓取對象。這樣的界面同時(shí)可以推廣至VR之外的領(lǐng)域，比如說增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)，機(jī)器人遠(yuǎn)程操作和康復(fù)應(yīng)用等等。
與通用式安裝解決方案相比，研究團(tuán)隊(duì)將DextrES集成到食指和拇指上，采用模塊化配件，并且將不同長度的金屬條插入至3D打印的鉸接管，從而保持流暢的移動(dòng)。金屬條固定在指尖和手腕上，由于在手指彎曲時(shí)它們會(huì)滑動(dòng)，這將產(chǎn)生受控的摩擦力。這種安裝策略可以輕松適應(yīng)不同的手部尺寸。
研究團(tuán)隊(duì)將肌肉運(yùn)動(dòng)知覺制動(dòng)器與安裝在每個(gè)指尖上的微型振動(dòng)電機(jī)相結(jié)合，以發(fā)出初始接觸事件的信號(hào)，并模仿典型的物體操縱循環(huán)。由此產(chǎn)生的VR集成允許手指和手部的自由移動(dòng)。通過現(xiàn)成的組件，控制電子設(shè)備的體積可以減少到幾厘米，并且功耗非常低(小于100mW)，支持電池供電操作，從而為廣泛的真實(shí)世界應(yīng)用鋪平了道路。
研究團(tuán)隊(duì)在兩個(gè)實(shí)驗(yàn)中測試了DextrES的功能。首先，我們在不同的電壓水平上建立了最小可覺差(JND)，并將其與等效的吸持力和感知?jiǎng)偠戎迪嚓P(guān)聯(lián);第二，團(tuán)隊(duì)探討了四種不同抓取的反饋機(jī)制對精度的影響。結(jié)果表明，DextrES提供了有效的反饋并提高了精度。
2. 結(jié)論與未來的研究
團(tuán)隊(duì)為我們帶來了DextrES，一種集成靜電制動(dòng)的新型觸覺手套。對于這款低重量(低于8g)和高吸持力(超過20N)的設(shè)備，它克服了傳統(tǒng)解決方案的限制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，DextrES是邁向柔性，靈活，高速可穿戴觸覺的一個(gè)非常有前景的步驟，其能夠傳達(dá)高度逼真的抓握感。團(tuán)隊(duì)對設(shè)備進(jìn)行了四次抓取測試，并發(fā)現(xiàn)不同虛擬對象的抓取精度都出現(xiàn)了提升。通過在指尖集成小型壓電式致動(dòng)器，團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步提高了抓取精度。
當(dāng)然，未來的研究尚有很大的空間。團(tuán)隊(duì)計(jì)劃通過印刷更薄的介電層或具有更高介電常數(shù)的層疊來將工作電壓降低一個(gè)量級(jí)。較低的電壓操作可以：1.令控制電子設(shè)備更緊湊，更便宜，因?yàn)樗薪M件均可采用表面貼裝格式(SMD);2.令可能擔(dān)心高電壓的用戶感到放心;3.簡化可穿戴設(shè)備的調(diào)節(jié)流程。
用戶目前能意識(shí)到20Hz的切換，這可能會(huì)分散他們的注意力。較低的電壓操作將允許設(shè)備以正弦波而不是方波運(yùn)行，從而大大降低了可聽振動(dòng)。另外，可以通過堆疊多個(gè)ES制動(dòng)器來增加力生成能力。
至于觸覺，制作五指版DextrES，在更完全成熟的VR和AR場景中進(jìn)行研究，以及探索不同操作任務(wù)中皮膚和動(dòng)覺反饋之間的相互作用將十分有趣。為了解放AR中的指尖，壓電式元件移動(dòng)到手指側(cè)面，并通過彎曲金屬板的振動(dòng)傳遞來接觸作用力。
最后，研究人員注意到可以通過測量重疊金屬條的電容變化，以及結(jié)合人類手部的反向運(yùn)動(dòng)學(xué)模型來重建手部姿勢，從而能消除對外部追蹤的需要。
隨著可穿戴設(shè)備和VR日益流行，更富吸引力且“默默無聞”的可穿戴觸覺反饋正變得越來越重要。借助輕量級(jí)和“非常低調(diào)”的手套，用戶無需過多的設(shè)備即可從豐富的和高吸持力的觸覺中受益，比如說DextrES。
來源：yivian
