DextrES是由蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院先進交互技術(shù)實驗室(Advanced Interactive Technologies Lab)研發(fā)的觸覺手套。設(shè)備結(jié)合了肌肉運動知覺和皮膚反饋，同時靈活耐磨，十分輕薄(小于8g)。
他們的方法基于靜電離合器，可通過調(diào)節(jié)柔性彈性金屬條之間的靜電吸引力來生成產(chǎn)生電控摩擦力，從而為手指帶來高達20N的吸持力。研究團隊利用產(chǎn)生的制動力來快速渲染所需的肌肉運動知覺反饋。靜電制動器通過3D打印的模塊化鉸接管安裝在食指和拇指上，這能支持金屬條流暢滑動。位于指尖的壓電式致動器能提供皮膚反饋。
研究團隊證明，其方法可以為用戶雙手的靈巧表達提供豐富的觸覺反饋，并在各種不同的握持抓取中提供有效的觸覺反饋。受控實驗表明，DextrES提高了不同類型虛擬對象的抓取精度。最后，心理物理研究的結(jié)果確定了不同吸持力水平的鑒別閾值。
1. 介紹
人類雙手的靈活性使得我們能夠執(zhí)行一系列有用的日常任務(wù)，如主動探索表面，以及抓取和移動物體。在虛擬現(xiàn)實中，使用雙手進行操作是一種流行的交互方式。它允許我們利用本已掌握的運動技能，或者在模擬真實場景的VR中學(xué)習(xí)技能。盡管在輸入方面已經(jīng)取得了快速的進步(顯示和傳感技術(shù))，但向雙手提供物理反饋的觸覺接口在保真度方面仍然落后。特別是，缺乏適當(dāng)?shù)募∪膺\動知覺反饋限制了我們精確操縱，以及將物體放置在3D空間中的能力。
抓取對象是我們能夠在VR中執(zhí)行的最為有用的技能之一。一個挑戰(zhàn)是，一系列的潛在抓取需要手指的自由移動。傳統(tǒng)而言，基于手套的外骨骼(在手指上產(chǎn)生制動力，在指尖上渲染局部觸覺反饋，或者將兩者結(jié)合起來)能夠支持VR中的反饋。相關(guān)設(shè)計通常采用復(fù)雜的機制，并增加重量，約束手指的運動，或者兩者皆有。結(jié)果是，我們無法充分利用雙手的全部交互能力。
為了應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院先進交互技術(shù)實驗室的Ronan Hinchet，Velko Vechev，Herbert Shea和Otmar Hilliges等人研發(fā)了DextrES。這是一種手指式觸覺機制，在向內(nèi)彎曲時能夠為每個手指帶來高達20N的吸持力。研究團隊的新方法基于靜電吸引力，主要是在兩個帶電金屬條之間產(chǎn)生快速受控的制動力。
他們利用所產(chǎn)生的制動力來快速渲染所需的肌肉運動知覺反饋，對手指運動施加阻力。至關(guān)重要的是，這允許研究團隊實現(xiàn)一個非常薄且靈活的觸覺界面，并用于在VR中抓取對象。這樣的界面同時可以推廣至VR之外的領(lǐng)域，比如說增強現(xiàn)實，機器人遠程操作和康復(fù)應(yīng)用等等。
與通用式安裝解決方案相比，研究團隊將DextrES集成到食指和拇指上，采用模塊化配件，并且將不同長度的金屬條插入至3D打印的鉸接管，從而保持流暢的移動。金屬條固定在指尖和手腕上，由于在手指彎曲時它們會滑動，這將產(chǎn)生受控的摩擦力。這種安裝策略可以輕松適應(yīng)不同的手部尺寸。
研究團隊將肌肉運動知覺制動器與安裝在每個指尖上的微型振動電機相結(jié)合，以發(fā)出初始接觸事件的信號，并模仿典型的物體操縱循環(huán)。由此產(chǎn)生的VR集成允許手指和手部的自由移動。通過現(xiàn)成的組件，控制電子設(shè)備的體積可以減少到幾厘米，并且功耗非常低(小于100mW)，支持電池供電操作，從而為廣泛的真實世界應(yīng)用鋪平了道路。
研究團隊在兩個實驗中測試了DextrES的功能。首先，我們在不同的電壓水平上建立了最小可覺差(JND)，并將其與等效的吸持力和感知剛度值相關(guān)聯(lián);第二，團隊探討了四種不同抓取的反饋機制對精度的影響。結(jié)果表明，DextrES提供了有效的反饋并提高了精度。
2. 結(jié)論與未來的研究
團隊為我們帶來了DextrES，一種集成靜電制動的新型觸覺手套。對于這款低重量(低于8g)和高吸持力(超過20N)的設(shè)備，它克服了傳統(tǒng)解決方案的限制。實驗結(jié)果表明，DextrES是邁向柔性，靈活，高速可穿戴觸覺的一個非常有前景的步驟，其能夠傳達高度逼真的抓握感。團隊對設(shè)備進行了四次抓取測試，并發(fā)現(xiàn)不同虛擬對象的抓取精度都出現(xiàn)了提升。通過在指尖集成小型壓電式致動器，團隊進一步提高了抓取精度。
當(dāng)然，未來的研究尚有很大的空間。團隊計劃通過印刷更薄的介電層或具有更高介電常數(shù)的層疊來將工作電壓降低一個量級。較低的電壓操作可以：1.令控制電子設(shè)備更緊湊，更便宜，因為所有組件均可采用表面貼裝格式(SMD);2.令可能擔(dān)心高電壓的用戶感到放心;3.簡化可穿戴設(shè)備的調(diào)節(jié)流程。
用戶目前能意識到20Hz的切換，這可能會分散他們的注意力。較低的電壓操作將允許設(shè)備以正弦波而不是方波運行，從而大大降低了可聽振動。另外，可以通過堆疊多個ES制動器來增加力生成能力。
至于觸覺，制作五指版DextrES，在更完全成熟的VR和AR場景中進行研究，以及探索不同操作任務(wù)中皮膚和動覺反饋之間的相互作用將十分有趣。為了解放AR中的指尖，壓電式元件移動到手指側(cè)面，并通過彎曲金屬板的振動傳遞來接觸作用力。
最后，研究人員注意到可以通過測量重疊金屬條的電容變化，以及結(jié)合人類手部的反向運動學(xué)模型來重建手部姿勢，從而能消除對外部追蹤的需要。
隨著可穿戴設(shè)備和VR日益流行，更富吸引力且“默默無聞”的可穿戴觸覺反饋正變得越來越重要。借助輕量級和“非常低調(diào)”的手套，用戶無需過多的設(shè)備即可從豐富的和高吸持力的觸覺中受益，比如說DextrES。
來源：yivian
