【《触觉交互技术研究现状文献综述》3800字】

触觉交互技术研究现状文献综述利用手指之间触摸的触觉再现技术根据激发方式，大致可划分成阵列式、振动式、静电力式、空气压膜式这四种。（1）基于振动的触觉再现技术采用高频振动马达、压电式振荡器来向外界传递振动信号，它是目前研究最深入、应用最为广泛的触觉增强与再现技术。2021年，日本的K.Niwa等人[12]研制出使用了由聚偏二氟乙烯（PVDF）制成的可穿戴皮肤振动传感器，如图1.2所示。该传感器佩戴在食指指尖关节与远端指间关节之间的指垫上，并检测通过皮肤传播的弹性波振动。由于它允许用户裸露的指尖触摸目标区域并保持感觉，因此在医疗诊断领域有较好前景。图1.2食指-太阳穴振动传播设备2020年，法国原子能协会的L.Pentera等人[25]利用反向滤波器去控制振动的传递方向与强度，并结合压电触控单元阵列，在触摸板上实现了基于振动触觉反馈的多点触控与实时触摸位置定位。这项技术可以在电容屏上可以被成功演示，如图1.3所示。图1.3由11个压电驱动器组成的触摸板在终端电子产品市场，提供触觉反馈的大多数移动设备都采用振动功能来提供触觉感知，并且大多数使用一种偏心旋转质量（ERM）致动器，该偏心旋转质量（ERM）执行器由不平衡的重量连接到电动机轴上组成。当轴旋转时，这种不规则质量的旋转会导致执行器和所连接的设备晃动。一些较新的设备，诸如苹果公司在MacBook和iPhone中采用振动与线性谐振致动器（LRA）开发出的名为“TapticEngine”的特色振动马达，其通过的移动装置的质量变化激励磁性音圈，与ERM相比，LRA具有更快的响应时间，因此可以传输更准确的触觉图像。此外，压电致动器也可被用来产生振动，并且比LRA提供更精确的运动，具有更低的噪声和更小的平台，但缺点是与ERM和LRA相比需要更高的电压。振动式触觉再现设备的优势是其振动马达功率强劲，可以给使用者以强烈的震感体验，从而激发出较强的触觉反馈。但是缺点是无法对振动的位置与幅值精确调控，因而难以模拟出较为细腻的触觉图案，因此触觉反馈类型高度单一化。（2）空气压膜式触觉再现技术的原理是给终端一个高频振动激励时触摸屏与人体手指接触面的空气被挤压，从而形成许多微小的空气腔，这些数量众多的小压膜可以极大减小接触界面间的摩擦因子，调控人机界面的触感。1995年，日本NTT研究所的T.Watanabe等人[10]研发出了第一台利用空气压膜效应调控人机接触界面表面粗擦度的仪器，如图1.4所示。2007年，美国西北大学的Winfield等人[26]开发出了名为“T-Pad”的触摸屏，他在两块薄板之间施加了一个超声波频率的低幅振动，通过改振动挤压空气薄膜以此来降低摩擦阻力。结合手指定位与滑移速度反馈，“T-Pad”可以模拟出多种空间质感和纹理，如图1.5所示。图1.4表面粗糙度可调的触觉设备图1.5名为“TPaD”的触觉渲染设备此后数十年，西北大学的研究人员[27]又接连开发出了大面积触摸显示器“LATPaD”，它可以通过可变的表面摩擦来提高触摸屏的娱乐性能；。2013年，Colgate等人[28]进一步对这项技术进行了集成化并降低了制造成本，开发出了名叫“TPaDFire”触觉渲染触摸板，该触摸板可以实现大范围摩擦力的精准控制，并能够模拟出一些粗糙的纹理，如图1.6所示。图1.6“TPaDFire”改良版触觉渲染屏2008年,法国里尔中央理工学院电子实验室的Biet等人[29]介绍了一种名为“STMTAC”可变摩擦显示器及其实现和初步评估。该团队发现由单通道提供的超声波马达的定子表面会出现特殊的光滑感，考虑到获得此现象所需的频率和幅度范围，将其解释为界面空气膜挤压效应。该效应能够减小指尖与定子之间的摩擦系数，且摩擦系数是振动幅度的函数。此外，如果添加位置传感器，则可以通过调整波的振动幅度来产生交替的滑动和制动感觉，从而模拟出带纹理的表面，装置如图1.7所示。图1.7“STIMTAC”空气压膜触觉渲染触摸屏利用空气压膜减小界面摩擦系数的触觉渲染设备可以对一些图案或质地进行模拟，但其缺点是触觉分辨率较低，控制可靠性不确定性高，效应的动态范围窄，并且对供电设备的要求较高。（3）阵列式触觉传感屏幕通常采用针状物、电极等大批阵列结构对人体手指皮层形成刺激并实现交互。2007年，名古屋大学微纳系统工程系的Kim等人[30]开发了一种提供视觉指导和触觉感知的插针式触觉反馈显示屏，如图1.10所示，该显示设备可以将视觉信息转化为触觉信息提供给使用者。2008年，德国波恩微纳机器人高级研究中心的R.Vitushinsky等人[11]利用微纳制造的双稳态形状记忆致动器开发了一款顶针式触觉刺激装置，其原理是通过记忆合金形变使顶针上升或下降，如图1.11所示。2010年,日本电气通信大学的Kajimoto等人[31]提出了复用电极从而增大电触式显示屏面积的想法，该接触幕可以通过电极刺激人体指尖的触觉感受器，通过响应测量人体皮肤阻抗以及对手指定位等功能，如图1.12所示。图1.8插针式触控屏图1.9顶针式触觉刺激装置图1.10电极阵列触屏基于顶针、电极阵列的触觉控制屏的特点是对皮肤触觉反馈强烈阵，其主要缺点是结构设计复杂，触摸精度低，不够智能，影响使用者体验且具有一定危险性，由于其重重缺陷无法在终端移动设备上应用。（4）静电力触觉增强效应的物理原理是在触摸物与人体之间形成一个耦合电容，由于皮肤表面会被静电力激发出感应电荷以及受到静电吸引的作用，在接触界面会出现皮肤振动和挤压的现象，从而调控接触界面的摩擦效应。1953年，华盛顿大学的Mallinckrodt等人[32]首次在触摸电灯泡时发现了由静电力引发的电振动触觉效应，并把它描述为一种“抚摸流动树脂”的感觉。通过进一步研究他发现，这种奇异的触觉效应源于交变电压接通了金属壳，人在抚摸外侧绝缘层时会受到交变静电感应所致。2006年，威斯康辛大学的Kurt等人[33]研究并开发了一款基于电振动触觉效应的触觉渲染面板，如图1.11所示。2009年，触觉人机交互大会上Linjama等人[34]公开了名为“E-Sense”的静电刺激触控屏，并介绍基于静电压力的工作原理，如图1.14所示。图1.11电振动触觉生发面板图1.12“E-Sense”触控显示屏2010年，美国迪士尼研究中心与卡内基梅隆大学人机交互中心的O.Bau等人[14]根据静电振动物理现象研制了一块可以模拟许多物体表面的电子触摸屏，并将其命名为“TeslaTouch”，当人用手指滑过触屏表面时，会感到多种不同的触觉反馈。他们还进行了志愿者分组实验，结果显示“TeslaTouch”可以使体验者感知到不同的纹理图案，并可以据此识别出根据触觉构建的虚拟元素。实物如图1.13所示。图1.13“TeslaTouch”触觉渲染显示仪2012年，英国诺基亚研发中心的Z.Radivojevic等人[35]开发了通过使用新兴材料石墨烯实现的柔性静电触觉反馈显示器，取名为“ET”，如图1.14所示。石墨烯是透明导体，因此可成功替代过去基于铟锡氧化物（ITO）作为导电层的屏幕结构设计，并为柔性和可弯曲显示器提供更可靠的解决方案。其静电触觉表面能够传递可编程的、具有精确定位的触觉纹理。“ET”的面积为25cm2，由130μm的光学透明薄层（>76%）和机械柔性结构组成，该结构不显眼地覆盖在显示器顶部。“ET”系统利用静电振动现象来按需控制用户指尖和设备表面之间的摩擦力。“ET”设备通过移动显示平台上的控制器进行集成，以生成完全可编程的刺激信号。根据下方显示的视觉信息形成触觉反馈，使摩擦力的大小和模式与图像和实际触摸的坐标相关联，实时在显示表面上形成虚拟纹理（触觉虚拟轮廓）。为了量化摩擦力的变化率，该团队使用涉及模拟实际触摸的人造手指的系统执行了动态摩擦系数测量，实验显示，当负载为0.8N时，“ET图1.14“ET”石墨烯柔性静电力触觉反馈屏幕2014年，芬兰的“Senseg”企业研发了名为“Feelscreen”的触觉交互屏幕，它可以在屏幕上通过静电力模拟虚拟按键与实物纹理和形状，实物如图1.15所示。2018年，美国的“Tanvas”企业研发了名为“TanvasTouch”的虚拟物体触觉再现屏幕，同样是基于静电力引发的振动效应，其实物如图1.16所示。图1.15Feelscreen触觉再现装置图1.16TanvasTouch触觉再现装置在依托静电振动物理现象的静电力触觉增强研究方面，全球各地的许多单位和科研院所在过去的70年间进行大量的详实和丰富的理论建设与应用开发，根据目前已公开的工作，将该领域具有代表性的工作根据发表时间依次列在了下图1.17中。图1.17静电力触觉增强效应研究历史与代表性工作对于由静电振动带来的触觉增强效应，迪士尼研究院研制的“TeslaTouch”虽然实现了较高分辨率的纹理再现，但其波形信号单一且体积很大能耗较高，不适用于移动终端；芬兰产的“Feelscreen”触觉再现必须由上千伏的高压电激励，安全性较差且不经济；美国开发的“TanvasTouch”由于激励信号限定为PWM脉冲电压，普适性较差。研究表明，静电力触觉增强效果的呈现与激励交流信号的最高幅值、频率、波形、极板材质及厚度等因素密切相关。与上述装置因驱动信号单一，且均以可视化屏幕作为触觉响应载体，制约了其触觉再现效果。正因如此，开发出一款体验舒适、小巧高度集成化、节能、触感细腻并丰富的可穿戴移动终端静电力触觉增强与渲染设备依然有强烈的现实意义。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].ProceedingsofIEEEInternationalConferenceonRoboticsandAutom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