【《可穿戴触觉增强设备研究现状文献综述》2400字】

可穿戴触觉增强设备研究现状文献综述可穿戴式力触觉交互技术作为力触觉交互技术的一个分支，可以为操作者提供更为真实、自然的人机交互体验。力触觉交互技术是一种接触式、具备双向信息传递能力的新型人机交互技术，其通过力触觉交互装置获得体验者的位姿等信息，同时，将计算机渲染出来的力、触觉信息反馈给体验者，为体验者提供“身临其境”的真实感受。近年来，力触觉交互技术已经广泛应用于军事、医疗、娱乐等诸多领域[36-38]。大部分力触觉交互装置都使用桌面式或地面式设计，比如ForceDimension公司的Omega及Sigma系列商用设备、东南大学研制的六自由度力反馈设备[39-40]等。这些装置虽然可以为操作者提供较强的反馈力，但是往往较为笨重，且存在操作者肢体运动受限等问题。为了追求更为自然的人机交互方式，可穿戴式力触觉交互装置便应运而生。可穿戴式力触觉交互装置常常穿戴于操作者肢体上(如手指、手臂、腰部等)，对肢体运动影响较小，具有小型轻便、交互自然的特点[41]，其中一个典型商业化的例子便是图1.18中CyberGrasp的外骨骼指尖可穿戴设备。图1.18CyberGrasp轻量化指尖外骨骼式可穿戴触觉增强设备可穿戴触觉设备可以通过接触、摩擦、压力、曲率、温度变化、振动等方式来提供触觉反馈，并且通常存在多种触觉感知耦合的工作模式。（1）基于压痕的可穿戴触觉设备在压痕式可穿戴触觉设备中，压痕显示通常利用一个或多个可沿皮肤法向移动的触觉器施加触觉刺激，通过将触觉器压入或刺进皮肤来提供空间分布的触觉信息。2014年，意大利理工学院的Pacchierotti[42]等人提出了一种通过调节皮肤接触力来补偿患者缺乏运动感觉的压痕式指尖可穿戴触觉设备，这种设备可以提供触觉渲染的真实感，如图1.19。图1.19采用压痕的触觉装置2016年，Gabardi等人[43]提出了一种采用触觉顶针进行表面探测的新型可穿戴式触觉设备。顶针可以将表面定向的触觉渲染与快速瞬态和宽频带宽的触觉信号相结合，从而提供丰富的触觉反馈表面探索，包括反应性接触、碰撞、表面粗糙和纹理的呈现。该设备的运动学由紧凑型伺服电机驱动最后一跟定向连杆，并由定制的音圈驱动以使触针与指垫接触，如图1.20。图1.20采用触针的可穿戴触觉设备（2）基于切向应力的摩擦式可穿戴触觉设备皮肤横向拉伸是一种向皮肤施加剪切力的触觉反馈方式。它利用了人类皮肤对切向拉伸的高度敏感性，可以为用户提供拉伸方向的信息。此外，当把皮肤拉伸和切向滑移运动刺激结合起来，人可以同时感受到皮肤与物体表面滑动摩擦运动力的大小和方向。2007年，东京大学的Minamizawa等人[44]提出了一种基于皮肤拉伸的一种触觉设备，该设备可以同时提供指腹切向与法向的皮肤刺激，从而呈现虚拟物体的重量。它由两个直流电动机组成，该电动机可移动与用户指尖接触的皮带，当电动机沿相反方向旋转时，皮带会按入用户的指端，而当电动机沿相同方向旋转时，皮带会向皮肤施加切向力，如图1.21。图1.21双微型电机驱动的切应力式指端触觉装置2014年，Tsetserukou等人提出了一种2自由度可穿戴式指尖设备[45]，该设备具有柔软的末端执行器与指尖接触的刚性触感。它由两个直流电动机组成，这些直流电动机共同驱动一个安装在指尖侧面的五连杆机构来施加切向触觉刺激，如图1.22所示。图1.22柔性可穿戴触觉指垫最近，斯坦福大学的Schorr和Okamura提出了一种可穿戴设备[46]，该设备除了可以使手指垫产生剪切力和正常的皮肤变形外，还可以进行接触和断开操作。该设备由三角形并联机构组成，该并联机构具有三个平移自由度，可实现正常、横向（尺骨和桡骨）和纵向（远端和近端）的皮肤变形。对于21.5×48.8×40.2mm的尺寸，它的重量为32g。它的工作空间为10×10×10mm，可以分别施加2N和7.5N的最大法向力和横向力，其结构如图1.23所示。图1.23可断开的指垫式触觉反馈可穿戴设备（3）振动式可穿戴触觉设备相比于其它触觉驱动方式，振动刺激式具有较高的感知舒适度、一致性与较优的相应速度及可调节范围。由于震动触觉致动器的小尺寸和轻重量，与提供触觉反馈的系统相比，仅提供震动触觉反馈的可穿戴设备更易于实现高耐磨性。2008年，佐治亚理工人工智能学院的Uchiyama等人开发了可振动触觉手套的第一个例子[47]。该手套可以为有严重视力障碍的轮椅使用者提供方向和空间指示。其振动信号通过放置在手背上的三乘三排触觉致动器提供，如图1.24。图1.24盲人指引振动触觉手套图1.25虚拟现实沉浸式振感手套一年后，韩国Kim等人使用了类似的方法来来提高多媒体体验的沉浸性，例如电影和计算机游戏[48]。他们开发了一种可容纳20个触觉致动器的手套，并设计了触觉与多媒体内容之间的映射算法。该手套由六个震动触觉致动器，五个指尖和一个手掌组成，如图1.25。综上，可穿戴设备可以提供更加复合人体自然习惯的触觉反馈，使得触觉增强与渲染更加逼真，并有益于集成在更广阔的应用场景中，诸如远程医疗、虚拟现实、娱乐影音等。参考文献[1]H.RhondaandV.Ana.GoodVibrations:ConsumerResponsestoTechnology-MediatedHapticFeedback[J].JournalofConsumerResearch,2020,47(2),256-271.[2]苗力田．亚里士多德全集(第3卷)[M].北京：中国人民大学出版社，1997.[3]孔狄亚克.人类知识起源论[M].上海：商务印书馆，2009.[4]RolandS.JohanssonandJ.RandallFlanagan.Codinganduseoftactilesignalsfromthefingertipsinobjectmanipulationtasks[J].NatureReviewsNeuroscience,2009,10(5),345-359.[5]D.Leeetal.ReconstructionandExplorationofVirtualMiddleEarModelsDerivedfromMicro-CtDataset[J].HearingResearch,2010,263(1-2):198-203.[6]于新华，曹江浪，于雷，李光林，方鹏.应用于人工皮肤的压电驻极体触觉传感阵列研究[J].电子元件与材料，2019，38（5）：63-67.[7]P.Campbell.CommunityClevernessRequired[J].Nature,2008,455(7209):1.[8]Robles-De-La-TorreG,HaywardV.Forcecanovercomeobjectgeometryintheperceptionofshapethroughactivetouch[J]Nature,2001,412(6845):445-448.[9]O.Sirina,M.Ayyildiz,B.N.J.PerssonandC.Basdogan.Electroadhesionwithapplicationtotouchscreens[J].SoftMatter,2019,15:1758-1775.[10]WatanabeT,FukuiS.Amethodforcontrollingtactilesensationofsurfaceroughnessusingultrasonicvibration[J].ProceedingsofIEEEInternationalConferenceonRoboticsandAutomation,1995,1:1134-1139.[11]R.Vitushinsky,S.Schmitz,ALudwig.BistableThin-FilmShapeMemoryActuatorsforApplicationsinTactileDisplays[J].JournalofMicroelectromechanicalSystems,2009,18(1):186-194.[12]K.Niwaetal.VibrotactileFeedbackSystemfromtheFingertiptotheTemplesforPerceptualEnhancementofContracturePalpation[J].IEEETransactionsonHaptics,2021,doi:10.1109/TOH.2021.3076501.[13]X.Lietal.Electrowetting:AConsiderationinElectroadhesion[J].IEEETransactionsonHaptics,2020,13(3):522-529.[14]O.Bau.TeslaTouch:ElectrovibrationforTouchSurfaces[J].Proceedingsofthe23ndannualACMsymposiumonUserInterfaceSoftwareandTechnology,2010:283-292.[15]RobertM.StrongandDonaldE.Troxel.AnelectrotactileDisplay[J].IEEETransactionsonMan-MachineSystems,1970,11(1):72-79[16]E.Vezzolietal.ElectrovibrationModelingAnalysis[J].Haptics:Neuroscience,Devices,Modeling,andApplications,Springer,2014,pp.369-376.[17]B.N.J.Persson.Thedependencyofadhesionandfrictiononelectrostaticattraction[J].TheJournalofChemicalPhysics,2018,148(14),144701.[18]H.Kimetal.MethodforProvidingElectrovibrationwithUniformIntensity[J].IEEETransactionsonHaptics,2015,8(4):492-496.[19]H.Ishizukaetal.EvaluationofElectrovibrationStimulationwithaNarrowElectrode[J].Micromachines,2018,9(10):483-493.[20]ElectrostaticTactileDisplaywithThinFilmSliderandItsApplicationtoTactileTelepresentationSystems[J].IEEETransactionsonV