触觉控制:触摸体验

栏: 与触觉技术供应商联系

• 一目了然

• 新兴触觉技术

• 触觉

• 虚拟现实

• 提高准确性

• 有限但不断增长的用途

我们大多数人用视觉和听觉与电脑互动。然而，在某些情况下，最适合使用的感官是触觉。如今，计算机技术逐渐认识到这一点，并将触觉技术纳入其中。

Haptics，源自希腊语，意思是“抓住或触摸”，指的是设备产生感觉输出的能力，而不是看到或听到的输出。触觉输出通常是一种力或振动。多少力?SensAble Technologies公司的触觉设备和工具包产品专家Ben Landon说:“我们的小型设备可以产生3-4牛顿(0.67到0.90磅)的重量，而一些大型设备可以达到30+ N(6.7+磅)。”

为什么触觉?

触觉学的两个重要应用是虚拟现实(包括游戏和医疗培训)和远程操作(或遥操作)。虽然电脑游戏的可能性是显而易见的，但它们也存在于工业中。例如，触觉技术允许用户在CAD/CAM(计算机辅助设计/计算机辅助制造)和类似系统中触摸和感觉物体。探头为设计软件提供数字反馈，而全电子转向和制动为操作员或驾驶员提供真实的反馈，消除了直接或动力辅助机械连接的重量和复杂性。

医疗应用中的触觉技术是一种通过为缺乏经验的工作人员提供“虚拟”培训来保护患者免受错误伤害的手段。触觉医疗训练系统可以重现令人震惊的现实，即在屏幕上观看结果时插入针头或腹腔镜的感觉，并在操作不正确时听到患者的抱怨。它可以用于进行牙科手术等等。

“医生现在的学习方式相当可怕，”诺文科技公司(Novint Technologies)首席执行官汤姆•安德森(Tom Anderson)说。“他们在活体病人身上做手术的前50次，都是在学习。”Novint公司的硬膜外模拟器和牙科模拟器得到了用户的好评。Immersion Corp.工业和游戏副总裁兼总经理迈克尔•莱文(Michael Levin)报告称，该公司大约有800个血管接入平台正在使用中，这些平台可以教学生如何插入静脉注射针。

SensAble Technologies Inc.总裁兼首席运营官鲍勃·斯坦加特(Bob Steingart)表示，触觉技术也应用于医疗植入设计。来自CT扫描仪的数据是体素(3-D或体积像素)的形式。SensAble的设备也采用了同样的格式。“想象一个人的头骨上有个洞，”斯坦加特说。“你可以从CT机、CAT扫描或核磁共振成像(MRI)的模型开始。他们的目标是发明一种假肢来填补这个洞。使用我们的体素和虚拟粘土系统——头骨模型也是体素——你可以很快地得到一个非常合身的合成部分。输出通常运行到快速原型机，或在某些情况下到铣床。”

触觉技术还可以用来增强数据可视化，SensAble公司的Landon说，它可以让用户在海量数据中导航(比如岩层的地震成像)，并提供额外的通信通道。他说:“你不仅有颜色和时间，还有力反馈来帮助你了解数据的情况。”

旋钮、鼠标、操纵杆

也许触觉学最简单的例子是旋钮，类似于用来调收音机的旋钮。通过给旋钮配备电机和制动器，就可以有各种类型的止动，硬止动，甚至弹性止动。所有这些特性都可以根据需要进行更改。

触觉鼠标提供力，振动，或两者都作为软件对用户输入的响应。它们被广泛应用，从游戏到物理治疗，目前正在研究将触觉鼠标作为盲人的计算机输入设备。以这种方式使用鼠标的一个问题是，它必须有一些跟踪绝对位置的方法;设计使用杆或绳子连接到底座上。

逆向机器人:把手在空中

在三维触觉学领域中，有一种技术相当于“逆向机器人”。机器人允许虚拟世界(软件)操作真实物体。一种触觉设备可以让人操纵虚拟物体，并感觉它们就像真实的一样。例如，用户握着连接到手臂系统的手柄(一些系统使用手套或“顶针”设备)。

触觉触摸屏使用屏幕角落的电磁致动器来振动触摸覆盖层。(图片由Immersion Corp.提供)。

可能有3个自由度(3 DOF)可以感知X、Y和Z轴，或者6个自由度(6 DOF)也可以感知滚转、俯仰和偏航。(自由度表示变量或空间内可用选项的数量。)该系统感知手柄位置，并通过内置电机和制动器向用户提供力和振动。当光标遇到虚拟对象时，操作人员会感受到阻力，这些阻力可能是硬的(对于刚性对象)、软的或弹性的。在适当的情况下，手柄可以振动来模拟，例如，当用户在纹理表面上移动触控笔时的感觉。触觉手套可用于物理治疗，以帮助中风患者增加力量和改善功能。

日本丰桥科技大学(Toyohashi University of Technology)的研究人员一直在研究使用触觉操纵杆来控制起重机以避免碰撞。在许多地方，为手术机器人(实际上是远程操作者)添加力反馈的工作正在进行。在尺寸范围的极端低端，人们正在努力将力尺寸触觉设备与扫描电子显微镜集成在一起，以便在操作纳米级物体时提供触觉。

触摸屏的阻力。

最近，触觉技术被整合到触摸屏中。传统的触摸屏可以将控制输入放在屏幕表面的任何地方，而触觉技术可以让用户真正地感受到它们。按下按钮，你会感觉到(经常听到)按钮咔哒一声。虚拟按钮可以是任何大小或形状，在屏幕的任何位置。它们对触摸的反应方式也各不相同。

2005年12月，大众汽车公司授权Immersion的触觉技术用于汽车仪表板。驾驶员不再只感觉虚拟控制面板的坚硬表面，而是像物理按钮和开关一样，感受到按钮的按压和释放。莱文表示，在调查中，用户在有触觉反馈和没有触觉反馈的触摸屏中都表现出了对触觉功能的强烈偏好，如果他们只能选择一个，他们会更喜欢它。

触觉可以通过几种方式产生。也许最直接的方法是在显示屏上建立一系列可移动的凸起，这样表面就会呈现出所需的形状。虽然这种方法是有效的，但它是复杂和昂贵的。一种更简单的方法是在屏幕的每个角落放置一个电磁驱动器，在触摸屏覆盖层中进行受控的左右移动(见图表)。研究表明，关键参数不是距离，而是加速度。只需0.1至0.2毫米的移动，使密封显示器达到NEMA 4标准成为可能。

虽然触觉技术在游戏和培训应用中得到了迅速的接受，但在工业应用中的广泛应用可能会更慢。简化将触觉集成到界面中的任务是促进该技术在工业环境中的使用的一个因素。

大多数触觉技术公司提供一系列api(应用程序接口)和其他软件来帮助开发。Immersion Corp.正在研发一套集成套件，包括一块小电路板、一套执行器和一本指南。该板带有预编程的触觉效果;其他的可以下载并放入Flash中。SensAble Technologies还为其设备提供触觉工具包。

成本的下降也将推动人们接受触觉技术。价格区间较低端的是Novint的3 DOF Falcon，预计售价在150-200美元之间。虽然这个单元是为消费应用而设计的，但经验表明，一些消费电子产品进入工业和商业世界的方式相对没有变化，如果它们以零售消费者的数量制造和销售，价格可能相当有吸引力。至于坚固性，诺文特公司的安德森说，这款产品“设计的方式是让人们会猛烈抨击它，你希望它经得起时间的考验，尤其是当人们用它玩电子游戏的时候。”

SensAble公司的Phantom Omni是一个6自由度的手臂，安装在一个底座上，可以放在桌面上，配有触觉工具包软件，售价约2400美元。在触摸屏方面，Immersion的显示屏最大可达19英寸，触觉反馈单元的价格大致相当于触摸屏的价格。

尽管触觉技术仍处于起步阶段，但它似乎有着广阔的工业前景。尽管这种老鼠可能不会灭绝——诺文特以一种以老鼠为食的猛禽为其命名“猎鹰”——但它可能会发现，自己并不是唯一从事这项工作的物种。

与触觉技术供应商联系

欲了解更多关于触觉的信息，请访问以下供应商的网站:

工程声学公司，佛罗里达州冬季公园，

FCS机器人，史基浦，荷兰，

力维度，洛桑，瑞士，

加州圣何塞市Immersion公司

Novint科技，阿尔伯克基，NM，

瑞典斯德哥尔摩Reachin科技公司

马萨诸塞州沃本市SensAble Technologies公司

您是否具有本内容中提到的主题的经验和专业知识?你应该考虑为我们的CFE媒体编辑团队做出贡献，并获得你和你的公司应得的认可。点击在这里开始这个过程。