DextrES用柔性金屬條基於靜電制動器為VR提供豐富觸覺反饋

原標題：DextrES用柔性金屬條基於靜電制動器為VR提供豐富觸覺反饋

DextrES是由蘇黎世聯邦理工學院先進交互技術實驗室(Advanced Interactive Technologies Lab)研發的觸覺手套。設備結合了肌肉運動知覺和皮膚反饋，同時靈活耐磨，十分輕薄(小於8g)。

他們的方法基於靜電離合器，可通過調節柔性彈性金屬條之間的靜電吸引力來生成產生電控摩擦力，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列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。位於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，並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。最後，心理物理研究的結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行一系列有用的日常任務，如主動探索表面，以及抓取和移動物體。在虛擬現實中，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中學習技能。儘管在輸入方面已經取得了快速的進步(顯示和感測技術)，但向雙手提供物理反饋的觸覺介面在保真度方面仍然落後。特別是，缺乏適當的肌肉運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中執行的最為有用的技能之一。一個挑戰是，一系列的潛在抓取需要手指的自由移動。傳統而言，基於手套的外骨骼(在手指上產生制動力，在指尖上渲染局部觸覺反饋，或者將兩者結合起來)能夠支持VR中的反饋。相關設計通常採用複雜的機制，並增加重量，約束手指的運動，或者兩者皆有。結果是，我們無法充分利用雙手的全部交互能力。

為了應對這一挑戰，蘇黎世聯邦理工學院先進交互技術實驗室的Ronan Hinchet，Velko Vechev，Herbert Shea和Otmar Hilliges等人研發了DextrES。這是一種手指式觸覺機制，在向內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於靜電吸引力，主要是在兩個帶電金屬條之間產生快速受控的制動力。

他們利用所產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。至關重要的是，這允許研究團隊實現一個非常薄且靈活的觸覺界面，並用於在VR中抓取對象。這樣的界面同時可以推廣至VR之外的領域，比如說增強現實，機器人遠程操作和康復應用等等。

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，採用模塊化配件，並且將不同長度的金屬條插入至3D列印的鉸接管，從而保持流暢的移動。金屬條固定在指尖和手腕上，由於在手指彎曲時它們會滑動，這將產生受控的摩擦力。這種安裝策略可以輕鬆適應不同的手部尺寸。

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合，以發出初始接觸事件的信號，並模仿典型的物體操縱循環。由此產生的VR集成允許手指和手部的自由移動。通過現成的組件，控制電子設備的體積可以減少到幾厘米，並且功耗非常低(小於100mW)，支持電池供電操作，從而為廣泛的真實世界應用鋪平了道路。

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)，並將其與等效的吸持力和感知剛度值相關聯;第二，團隊探討了四種不同抓取的反饋機制對精度的影響。結果表明，DextrES提供了有效的反饋並提高了精度。

2. 結論與未來的研究

團隊為我們帶來了DextrES，一種集成靜電制動的新型觸覺手套。對於這款低重量(低於8g)和高吸持力(超過20N)的設備，它克服了傳統解決方案的限制。實驗結果表明，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。團隊對設備進行了四次抓取測試，並發現不同虛擬對象的抓取精度都出現了提升。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.令控制電子設備更緊湊，更便宜，因為所有組件均可採用表面貼裝格式(SMD);2.令可能擔心高電壓的用戶感到放心;3.簡化可穿戴設備的調節流程。

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。

至於觸覺，製作五指版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面，並通過彎曲金屬板的振動傳遞來接觸作用力。

最後，研究人員注意到可以通過測量重疊金屬條的電容變化，以及結合人類手部的反向運動學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。藉助輕量級和「非常低調」的手套，用戶無需過多的設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

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