DextrES用柔性金属条基于静电制动器为VR提供丰富触觉反馈

小编刘卫华 | 分类：快讯 / 论文 | 发布日期 2018年9月4日

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灵活耐磨，十分轻薄

（映维网 2018年09月04日）DextrES是由苏黎世联邦理工学院先进交互技术实验室（Advanced Interactive Technologies Lab）研发的触觉手套。设备结合了肌肉运动知觉和皮肤反馈，同时灵活耐磨，十分轻薄（小于8g）。

他们的方法基于静电离合器，可通过调节柔性弹性金属条之间的静电吸引力来生成产生电控摩擦力，从而为手指带来高达20N的吸持力。研究团队利用产生的制动力来快速渲染所需的肌肉运动知觉反馈。静电制动器通过3D打印的模块化铰接管安装在食指和拇指上，这能支持金属条流畅滑动。位于指尖的压电式致动器能提供皮肤反馈。

研究团队证明，其方法可以为用户双手的灵巧表达提供丰富的触觉反馈，并在各种不同的握持抓取中提供有效的触觉反馈。受控实验表明，DextrES提高了不同类型虚拟对象的抓取精度。最后，心理物理研究的结果确定了不同吸持力水平的鉴别阈值。

1. 介绍

人类双手的灵活性使得我们能够执行一系列有用的日常任务，如主动探索表面，以及抓取和移动物体。在虚拟现实中，使用双手进行操作是一种流行的交互方式。它允许我们利用本已掌握的运动技能，或者在模拟真实场景的VR中学习技能。尽管在输入方面已经取得了快速的进步（显示和传感技术），但向双手提供物理反馈的触觉接口在保真度方面仍然落后。特别是，缺乏适当的肌肉运动知觉反馈限制了我们精确操纵，以及将物体放置在3D空间中的能力。

抓取对象是我们能够在VR中执行的最为有用的技能之一。一个挑战是，一系列的潜在抓取需要手指的自由移动。传统而言，基于手套的外骨骼（在手指上产生制动力，在指尖上渲染局部触觉反馈，或者将两者结合起来）能够支持VR中的反馈。相关设计通常采用复杂的机制，并增加重量，约束手指的运动，或者两者皆有。结果是，我们无法充分利用双手的全部交互能力。

为了应对这一挑战，苏黎世联邦理工学院先进交互技术实验室的Ronan Hinchet，Velko Vechev，Herbert Shea和Otmar Hilliges等人研发了DextrES。这是一种手指式触觉机制，在向内弯曲时能够为每个手指带来高达20N的吸持力。研究团队的新方法基于静电吸引力，主要是在两个带电金属条之间产生快速受控的制动力。

他们利用所产生的制动力来快速渲染所需的肌肉运动知觉反馈，对手指运动施加阻力。至关重要的是，这允许研究团队实现一个非常薄且灵活的触觉界面，并用于在VR中抓取对象。这样的界面同时可以推广至VR之外的领域，比如说增强现实，机器人远程操作和康复应用等等。

与通用式安装解决方案相比，研究团队将DextrES集成到食指和拇指上，采用模块化配件，并且将不同长度的金属条插入至3D打印的铰接管，从而保持流畅的移动。金属条固定在指尖和手腕上，由于在手指弯曲时它们会滑动，这将产生受控的摩擦力。这种安装策略可以轻松适应不同的手部尺寸。

研究团队将肌肉运动知觉制动器与安装在每个指尖上的微型振动电机相结合，以发出初始接触事件的信号，并模仿典型的物体操纵循环。由此产生的VR集成允许手指和手部的自由移动。通过现成的组件，控制电子设备的体积可以减少到几厘米，并且功耗非常低（小于100mW），支持电池供电操作，从而为广泛的真实世界应用铺平了道路。

研究团队在两个实验中测试了DextrES的功能。首先，我们在不同的电压水平上建立了最小可觉差（JND），并将其与等效的吸持力和感知刚度值相关联；第二，团队探讨了四种不同抓取的反馈机制对精度的影响。结果表明，DextrES提供了有效的反馈并提高了精度。

2. 结论与未来的研究

团队为我们带来了DextrES，一种集成静电制动的新型触觉手套。对于这款低重量（低于8g）和高吸持力（超过20N）的设备，它克服了传统解决方案的限制。实验结果表明，DextrES是迈向柔性，灵活，高速可穿戴触觉的一个非常有前景的步骤，其能够传达高度逼真的抓握感。团队对设备进行了四次抓取测试，并发现不同虚拟对象的抓取精度都出现了提升。通过在指尖集成小型压电式致动器，团队进一步提高了抓取精度。

当然，未来的研究尚有很大的空间。团队计划通过印刷更薄的介电层或具有更高介电常数的层叠来将工作电压降低一个量级。较低的电压操作可以：1.令控制电子设备更紧凑，更便宜，因为所有组件均可采用表面贴装格式（SMD）；2.令可能担心高电压的用户感到放心；3.简化可穿戴设备的调节流程。