DextrES用柔性金属条基于静电制动器为VR提供丰富

原标题:DextrES用柔性金属条基于静电制动器为VR提供丰富触觉反馈

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》。

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)。

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”

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。

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。

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。

虚拟触觉难以实现有很多原因。看过电影的人都明白,眼睛和耳朵可以被每秒 24 帧的电影欺骗,但是触觉却很不同,它要更复杂。实现虚拟触感的一部分挑战来源于硬件。在实验室中,设计一个适合个人用户穿戴的手持式设备往往很困难,目前许多原型设备仅仅能够模拟特定的感觉,例如质地、温度或重量,这种设备往往缺乏吸引力。而更加复杂的机械技术则可能导致设备太昂贵,太大或太脆弱而无法出现在消费市场。

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微软研究团队一直在探索如何利用现有技术在手持式 VR 控制器上模拟产生多种触觉感受,使用户能够触摸和抓住虚拟物体,感受指尖在物体表面的滑动。他们的梦想是让用户能与虚拟数字世界进行更自然、更多元的交互。

  1. 介绍

CLAW

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。

CLAW 是微软研究团队开发的第一款新型多功能触觉控制器,通过使用单个电机,CLAW 将 VR 控制器的概念扩展至一款多功能触觉反馈工具。CLAW 有一个独特的机械臂,当用户手握手柄、手指转动时,这个机械臂能够模拟力反馈。

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。

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为了应对这一挑战,苏黎世联邦理工学院先进交互技术实验室的Ronan Hinchet,Velko Vechev,Herbert Shea和Otmar Hilliges等人研发了DextrES。这是一种手指式触觉机制,在向内弯曲时能够为每个手指带来高达20N的吸持力。研究团队的新方法基于静电吸引力,主要是在两个带电金属条之间产生快速受控的制动力。

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

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。

作为一个多功能控制器,CLAW 包含普通 VR 控制器的所有功能(拇指按钮和操纵杆、6DOF(Degree of Freedom)控制、食指触发器),以及为最常见的手部交互时启用的各种触觉渲染:抓取物体,触摸虚拟表面,以及接收力反馈。

与通用式安装解决方案相比,研究团队将DextrES集成到食指和拇指上,采用模块化配件,并且将不同长度的金属条插入至3D打印的铰接管,从而保持流畅的移动。金属条固定在指尖和手腕上,由于在手指弯曲时它们会滑动,这将产生受控的摩擦力。这种安装策略可以轻松适应不同的手部尺寸。

CLAW 的独特之处还在于它能够通过感知用户的抓握情况和虚拟情境环境之间的差异来调整触觉渲染。当用户尝试握住虚拟物体时,该装置会在食指和拇指之间产生阻力,模拟出物体被握住的感觉。嵌在食指支架中的力传感器通过改变电机的反馈让用户 “感受” 物体的不同材料。

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如果用户握住手柄并做出指向手势,那么 CLAW 会提供触摸感觉。手指尖朝向虚拟物体表面移动时,CLAW 会产生阻力,将手指推回并阻止手指穿透虚拟表面。此外,当食指沿着虚拟表面滑动时,安装在食指尖端下方的音圈会产生小振动来模仿物体的表面结构触感。

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。

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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。

感知用户施加的力量也可以帮助用户与虚拟物体进行交互。例如在虚拟绘画程序中,程序可以通过感知用户的手的力度来调整画笔的力度。

  1. 结论与未来的研究

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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 Wheel

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。

为了进一步模拟食指对虚拟物体的材料和表面摩擦的触觉体验,微软还开发了另一种新的触觉控制器——Haptic Wheel。Haptic Wheel 使用的驱动转轮通过上下移动来模拟手指与虚拟物体表面的触碰,并且通过旋转来模拟用户沿着虚拟表面滑动时产生的剪应力(shear forces)和滑动感。

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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。

用户目前能意识到20Hz的切换,这可能会分散他们的注意力。较低的电压操作将允许设备以正弦波而不是方波运行,从而大大降低了可听振动。另外,可以通过堆叠多个ES制动器来增加力生成能力。

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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。

当用户将手指悬停在转轮的蓝色区域表面上方时,渲染引擎将合适的转轮表面移到手指下方;当用户在虚拟环境中接近黑色区域边缘时,渲染引擎会转动转轮以使跟黑色边缘一样的材质接近手指;在手指悬停在较小的黑色表面上时,渲染引擎会调整转轮的增益,以便正确模拟出手指接触两个边缘的感觉。

最后,研究人员注意到可以通过测量重叠金属条的电容变化,以及结合人类手部的反向运动学模型来重建手部姿势,从而能消除对外部追踪的需要。

该设备的转轮是可替换的,可以包含各种物理触觉元素,以便在用户探索虚拟环境时为用户提供不同的感受。当用户探索虚拟环境时,渲染引擎会根据环境为手指传递适当的触觉感受。例如,在虚拟纸牌游戏中,当用户触摸卡片、扑克筹码或桌子时,该装置就会旋转转轮以在指尖下面呈现适当的纹理感受。当用户沿着表面滑动时,转轮会在手指下面旋转以产生剪应力和滑动感。

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。

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