东京工大开发指甲触觉反馈装置，提升VR操作精度

小编刘卫华 | 分类：论文 | 2025年4月17日

加入映维网会员

查看引用/信息源请点击：映维网Nweon

推进虚拟现实中的触觉反馈，潜在地实现更为身临其境和逼真的虚拟交互

（映维网Nweon 2025年04月17日）在一项研究中，东京工业大学团队介绍了一种增强虚拟现实中灵巧操作的新型触觉装置。通过刺激指甲两侧的机械感受器，所提出的轻量级系统模拟了切向力的感觉。

研究人员采用机械刺激来获得更自然的触觉反馈。初步的“平衡抓握挑战”实验表明，用户使用设备进行了更频繁的微调整，表明精度提高。这项研究旨在推进虚拟现实中的触觉反馈，潜在地实现更为身临其境和逼真的虚拟交互。

实现沉浸式虚拟现实体验依然面临着一个关键的挑战：如何在虚拟环境中实现逼真的灵巧抓取。

灵巧操作是人类与物理世界互动的基本能力，VR缺乏这种能力，极大地限制了用户的沉浸感和操作精度。为了解决这一缺陷，基于手的触觉反馈设备已经成为一个重要的研究课题。然而，现有的触觉设备往往又大又重，严重阻碍了用户在虚拟环境中的活动自由。

所以，迫切需要开发轻量化、小型化的手部交互触觉设备。更重要的是，设备不仅要小巧轻便，而且要向用户的指尖提供触觉反馈，以感知现实世界的感觉，从而在虚拟环境中实现精确的操作和自然的交互。

早前有人将致动器重新定位到指甲外侧。然而，东京工业大学的目标是呈现更全面的触觉信息，无需在指垫放置大型刚性驱动器，包括压力，切线和基于物理的振动反馈。

在灵巧抓取过程中，切向力起着至关重要的作用。当我们抓握物体时，由于指垫皮肤的变形，指尖不仅能感知物体表面的垂直压力，而且能感知物体表面的切向力，而这是精确控制和感知抓取状态的必需项。然而，现有的尝试重现切向力反馈的触觉设备常常难以保持指垫的自由。

这不仅会影响用户的舒适度，而且可能干扰现实世界的触觉反馈。东京工业大学的重点是刺激位于指甲两侧的受体。

与电刺激相比，机械刺激产生的自然感觉更多，个体差异更小。团队的目的是研究在指甲两侧施加机械刺激是否能有效地模拟切向力感觉，并潜在地增强灵巧操作。

所提出的设备结合了指甲侧面的机械刺激和轻量化设计。他们建议使用机械刺激来SA-II受体。与现有的触觉设备不同，它提供切向力反馈，不限制使用单个电机的指垫运动，并且可以与其他触觉显示器集成，从而在虚拟环境中实现更精确，更灵活的操作。

团队选用PIC32单片机，它可以输出多路PWM信号。微控制器接收来自PC的触觉信息。他们将其与具有DRV8434e电流控制器的电机驱动器配对，使得能够调节每个电机的输出电流。为了显示切向力，使用一个放置在指甲背侧的无芯电机，如图1所示。

这种结构具有两个接触点，目标是刺激位于指甲附近皮肤褶皱中的机械感受器。力的大小是通过调节电机转矩来控制。另外，由于这种结构在撞击指甲时会产生剧烈的碰撞，研究人员使用了减震材料来减少振动。与直接接触物体表面的掌部皮肤机械感受器相比，指甲中SA-II感受器提供的力信号可能受接触面几何和纹理特征的影响较小。

所以，为了传递指尖压力，研究人员采用了之前的结构，使用细导线来实现压力和振动。这证明了切向力显示结构很容易与其他触觉显示集成。

实验请来了3名被试进行实验，以评估切向力在基于物理的手部操作中的有效性。实验利用了一个反馈模式，当手指垫在平面上从右向左滑动时，指甲的左侧会受到压缩，而当指尖从左向右滑动时，指甲的右侧会受到压缩。

这项任务可以描述为“平衡抓取挑战”，被试需要用拇指和食指拿起一个放在非水平表面上的小矩形块，并尽可能将块保持在水平位置。这意味着抓握后要保持长边与地面平行，避免明显的倾斜。

在这项任务中，被试在拇指和食指佩戴装置，系统会实时记录积木的倾斜角度。实验分切向力触觉开启和关闭两种情况进行。

结果表明，在切向力反馈下，三名被试在执行任务时都表现出多次小的、重复的调整动作，如图2所示。

相关动作表现为手指在抓握和保持物体时的周期性、平滑的微调整。当触觉功能禁用时，这种现象没有观察到，这表明被试可能一直在使用触觉信息来进行更精确的控制，而不是仅仅依靠视觉线索。然而，目前的实验结果可能反映了被试对触觉反馈的适应，而不是真正的精细运动控制。触觉反馈是否能准确模拟人类的触觉感知尚需进一步的研究。