[科普中国]-触觉接口

概述

触觉接口是指那些用于虚拟环境中手指感觉、体验和操作的人机接口。触觉信道一方面能够感觉用户手的位姿和作用力，另一方面可以把力信息反馈给用户。借助合适的传感器和执行器，并利用手指相对于物体的状态函数来产生力指令，可以使虚拟物体产生坚硬或柔软等触摸信息。1

触觉接口的设计使我们可以通过手操作与虚拟环境交互。一般情况下，相同的接口硬件不仅可以从操作者边缘接收运动信息，而且可以从虚拟物体产生一个反作用力作用于操作者边缘。通过触觉接口，操作者可以有触摸的感觉，好像他正在直接触摸虚拟物体。2

工作原理一般触觉接口被当成一个产生机械阻抗的设备。触摸一个硬质表面被描述为从低阻抗区域到一高阻抗区域的突然变化，因而触觉接口应该具有较宽的阻抗动力区域。然而在系统稳定条件下很难达到很高的阻抗，产生这种限制的原因有很多，阻抗控制的采样率是一个主要因素。2

常规的触觉接口的信息流由以上三部分组成：

（1）对操作者边缘的状态跟踪；

（2）对虚拟物体的碰撞探测；

（3）产生触觉接口的机械阻抗。

为了产生刚体曲面，每一步的快速计算是必不可少的。其中第1，3步的计算并不十分困难，第2步的计算量在很大程度上取决于物体外形的复杂性。例如，对虚拟平面或虚拟球的碰撞判断相对来说是比较容易计算的，而对自由形式曲面(参数曲面)的碰撞判断需要较大的计算量。因而，触觉接口必然需要一个较长阻抗控制采样区间，并且无法表示刚性曲面。

为了解决这个问题，媒介空间被引人触觉接口，使得与虚拟物体的碰撞判断的计算独立于触觉接口的阻抗控制。媒介空间中的几何变换使得碰撞探测、力量表示向量的简化、与虚拟环境中的虚拟物体的交互变得方便可行。因而即使对于较复杂外形的虚拟物体，其刚性曲面也可被表示出来。2

多模式人机接口视觉信道视觉信道的一个重要参数是帧频，低于10幅/s的帧频会严重破坏显示的连贯性，理想的帧频是20幅/s以上。对于一个具有较高帧频的系统，所显示图像或计算结果可能会由于系统延迟而产生数帧的滞后，研究表明在实时交互要求下系统的延迟不得大于0.1s。另外，图像显示必须具有较高的分辨率以产生逼真的视觉效果。

听觉信道虚拟环境中由于碰撞而产生的声音事件可以帮助操作者发现物体之间发生的碰撞以及碰撞的强弱。利用数字信号处理设备，可以产生具有空间定位效果的声音，使所听到的声音似乎发自三维空间的某一点。目前产生非语音声音的方法主要有采样法(把预先存贮的数字化声音信息实时回放)和人工合成法(通过分析或算法人工合成声音)两类。大多数实用的采样系统和人工合成系统基于MIDI(MusicallnstrumentDigitalInterface)技术。

触觉信道触觉接口是指那些用于虚拟环境中手指感觉、体验和操作的人机接口。触觉信道一方面能够感觉用户手的位姿和作用力，另一方面可以把力信息反馈给用户。借助合适的传感器和执行器，并利用手指相对于物体的状态函数来产生力指令，可以使虚拟物体产生坚硬或柔软等触摸信息。触觉交互系统可以分为两类，一类固定在地面上(如游戏杆)，跟踪单个点的位姿并反馈相应的力信息，另一类捆绑在操作者身体上(如数据手套)，跟踪操作者手的姿势并把反馈力作用于一个或多个手指上。比较这两类系统，前者反馈的信息具有更高的精度和带宽，而后者交互性能较好。1

应用