人机交互关于虚拟现实的报告

虚拟现实的力触觉交互技术发展现状与趋势

虚拟现实的力触觉交互技术发展现状与趋势王爱民，戴金桥(东南大学仪器科学与工程学院，江苏南京 2 0 9 ) 10 6

摘要：拟现实通过模拟人的视觉、觉、触觉等，人处于一种与真实世界非常逼真的虚拟世界中，感受、验和评价虚听力使来体

虚拟世界中的场景和设备。力触觉在虚拟现实环境中有其突出优越性，力触觉使得虚拟现实环境变得真实，是唯一的既可接受周围环境输入又可以对周围环境输出的感知通道，可极大增强可视化表达的效果。虚拟现实的力触觉交互技术包括力触觉再现技术和虚拟环境的力触觉建模。介绍了这两方面的发展现状、在的问题和今后的发展趋势。存 关键词：拟现实；虚力触觉再现；触觉建模；互力交中图分类号：P 4 T 3 19 T 2;P 9 .文献标识码： A文章编号：00—8 2 ( 07 1 00 0 10 8 9 2 0 )0~ 0 1— 3

Cur e v l p e tS t to& t t e Tr n f r ntDe eo m n iua i n he Fu ur e d oHa i nt r c i n i Vi t lRe l y ptc I e a to n r ua a i tW ANG— n Aimi,DAIJn q a i— io( e ate t fnt m n S i c n nier gSuhat nvrt, aj g2 09, h a D pr n o Is u et ce ea dE g e n, otes U i sy N ni 10 6 C i ) m r n n i ei n nAbsr c: o e c n b m mes d i ii it lwo l y smu ai gt e rvso h a nga d h pi n vru e i y tm, d t a t Pe pl a e i re n a vvd vrua rd b i l tn h i iin, e r a tci i a r a t s se a i n t l l y n t y C e s, e p re c n si t h c n n h e ie o h i u lwo l Th a tc s n ei e y i he a s n e x e n e a d e tmae te s e e a d t e d vc ft e vr a rd. e h p i e s sa v r mpo

a ti i u n i t t r n n vr a t l r aiy be a s tc n ma e t e vru e i o b e itc a ti h n y c a ne y whch t e if r to a mpo e nd e lt, c u e i a k h i a ra t t e r a si, nd i st e o l h n lb i h no ma in c n i t l l y l t r da e po e f rh rmo e t e ef c ft ii a n n e x r d,u e r, h fe to he vson c n be e ha c d.Th h ptc i e a to t c n q e o h i u e l y c mp s s o t t e a i ntr cin e h i u ft e v r a r ai o r e f t l t i t a tc￣e ba k a d a tc mo ei g i i u n io he h pi d c n h p i d ln n vr a e vr nme t Th u r n veo t l n . e c re tde lpme tst ai n t e p o l msa d t ef t r rnd n iu to, h r b e n h u u ete o h a tc￣e ba k tc i e a d t a tc mo ln tc n q r u maie n v d al、 ft e h p i d c e hnqu n he h p i deig e h i ue ae s m rz d idii u ly

Ke r s vru e i h p i fe b c; a t d l g i tr cin y wo d: i a r a￣; a t e d a k h p i mo ei;n e a t t l l c c n o

对人类获取信息能力的研究表明，力触觉是除视觉和听觉之外最重要的感觉，人类认识外界环境并与环境进行交互的是重要手段。实际工作中很多操作任务要求操作者必须有效感知接触状况才能进行精确控制。虚拟操作中，力触觉交互也显得格外重要，如在虚拟手术训练中，引入力触觉反馈，以使医生可训练时不仅能够看到而且还能感觉到手术器官，医生能够进入虚拟世界，通过手和手臂的运动，与虚拟模型和环境进行交互， 形成对虚拟模型的一个完整的认识，并感受到与虚拟对象交互

基于手控器的虚拟操作机器人系统能够模拟复杂环境中人的运动特性以及接触形变

和作用力。近几年来，远程医疗领在

域，于力触觉再现的虚拟操作有着非常广阔的应用前景。基19 99年德国的研究者研制了一个具有图像和力反馈的虚拟操

作系统用于骨髓穿刺手术实验 J 0 0年美国 R tes。20 ugr大学和斯坦福大学联合研制成功虚拟操作和遥操作的辅助康复系统， 通过力触觉和视觉的交互，医生能够远程帮助呆在家中的残疾病人进行手臂功能的恢复锻炼。20 0 1年德国 K drh商用 a sue虚拟内窥镜手术训练装置研制成功，操作者通过操作带有力触觉的机械手模拟控制手术刀进行虚拟内窥镜手术，同时在图形界面上逼真模拟手术过程中人体组织切割、形、血等现变流象。20 04年，国俄亥俄州立大学机械工程系的研究人员建美立了一个虚拟触诊系统，用于专家对学员的训练。MI T的研究者 G pa等人设计了一套基于 P at ut hn m装置的 C D系统。设 o A计者可以通过 P at抓取虚拟设计样品，时感受到抓取力， hn m o同

产生的触觉和力，同操作真实物体一样，疑可使训练更真如无实、确、靠 J准可。

虚拟现实的力触觉交互技术在许多领域都有重要的应用价值。早在 19 94年，美国 N S A A就开始针对空间作业任务的要求研制具有力觉反馈的虚拟预测环境。19 96年卡内基梅隆大学机器人研究所率先研制出一套典型的具有虚拟操作功能的视

力触觉虚拟现实交互系统，过力触觉再现装置，作者能通操够控制并同时感受到由 C D图像和图形合成的虚拟环境中物 C体运动和作用力。2 0 0 2年斯坦福大学机器人实验室建立的收稿日期：07— 7—1 20 0 7

仿真的虚拟抓取力信息汇同其他视觉、听觉数据一起反馈回设计系统，用于自动优化设计参数。正是鉴于虚拟力触觉再现的广泛的使用价值，国外许多著名高校和科研机构都在进行力触觉建模及接口装置的研究工作。在美国航空航天局 ( A A) NS 和国防部高级研究计划署 ( A P以及美国国家自然科学基 D R A)金的资助下，国斯坦福大学、美哈佛大学、北大学、盛顿大西华

基金项目：国家重点基础研究发展计划 ( 7计划 )资助项目 93 ( 02

B 1 12; 20 C 3 20 )国家自然科学基金资助项目( 07 0 7 66 3 0、 66 5 4、0 4 0 76 45 3 0 70 ) 4

作者简介：王爱民( 9 8 )男， 16一，博士，副教授，主要从事机器人力/触觉、测控技术和智能系统方面的研究。

学、麻省理工学院和约翰霍普金斯大学等先后开展了面向遥操作和虚拟操作的力触觉建模、力触觉再现以及力触觉的生理与

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《测控技术) 0 7年第 2 ) 0 2 6卷第 1 O期流变学特性发生剧烈的变化，当移去电/磁场时，磁流变液恢电/复成原来的流体。电流变液体在液态与固态之间的变换时间在毫秒级，而且凝胶化程度与电/场强度成一定比例关系，以磁所只要通过选择所施加的电压/,磁流变液体的液态与固态流电/之间任何状态都能够平滑和快速地得到。近几年来，人们开始研究基于电流变和磁流变的被动力觉再现技术。日本 O aa sk大

心理机制的研究。

1虚拟现实的力触觉再现接口技术 虚拟现实力触觉交互中，够真实将虚拟力触觉再现至操能作者身体是很重要，这需要具有高保真的力触觉再现接口装置。11主动力触觉再现接口装置 .

目前，大部分力触觉再现装置是主动式的： ①外骨骼和固定设备。有许多外骨骼交互设备能够为整个胳膊或其他身体部位提供力反馈信息，中爱荷华州的力反馈其外骨骼机构利用磁场为使用者提供力信息。其他的系统如由V T公司生产的已经商品化的力反馈机构 C bro e它能够 yeF r, c为操作者臂部提供力反馈信息，力反馈数据手套 C br r p yeGa s附着在上面能够同时为手指和手腕实现力反馈。俄亥俄州大学机械工程系 19 9 8年研制的 F E L X是一个较大的固定输入设 R FE备。Suhm toi大学的系统实验室开发的一种外骨骼装 ote Me ds h t

学 Maa ci smi等人利用两个电流变液体制动器开发出了一个两 h自由度的被动力再现装置。意大利 Ps i a大学的研究学者们利用磁流变液设计出一个能够反馈虚拟物体的形状和柔顺性的新型力/觉系统 。哈尔滨科技协会设计了一种新型的基于触

人工肌肉的力反馈数据手套 9。R t r 1] ug s大学的 So e ctH.Wi t n— t

在数据手套中应用了智能材料磁流变液使其具有被动力再 e r现功能。驯

被动力反馈系统因其耗散特征而无法再现虚拟环境的主动作用力和储能元件如弹簧、肌体组织等，所以还需要主动系统来协助完成。因此，基于主/被动混合执行器的力觉再现技术将是今后发展的趋势。韩国的 J ugA和 D n -o w n提出了 i n n n ogSoK o一

置叫“ s r r, Mat m”该装置是气动的， eA能够随着操作者身材的不同进行适当的尺寸调节。

②数据手套和穿戴设备。有很多系统在开发当中，如例 R t r大学的 M s rⅡ N利用气动原理给操作者提供力反 ug s e at D, e馈信息 J“。其他种类的穿戴没备有的没采用手套形式如日本Tu ua大学的虚拟实验室研究的“ a beMat”利用一个 sk b Wer l a sr, e

种单自由度主/被动混合型的力反馈实现方法并进行了实验

研究。

2虚拟环境力触觉建模技术在虚拟环境力触觉交互过程中，立基于物理意义的力触 建

3自由度、电机驱动的操纵杆安装在手臂上为手指提供力信息。另外一个力反馈数据手套是由V T公司力再现技术包括硬度再现和力觉 (肉运动觉 )肌再现等。现有的研究大多集中 于肌肉运动觉再现技术，生产的 Cb rrs yeG ap包括两个组成部分，一

觉模型是非常重要的。早期的力觉建模主要集中于刚性接触下的虚拟力的建模与生成。B soa adgn等人综合研究了刚性物体点、、线面接触下的力/力觉计算方法。但随着虚拟现实技术

个是数据手套，另外一个是外骨骼结构。数据手套能够准确

的发展，对柔性物体的接触力仿真更加突现其重要性。大多数柔性体的接触力物理模型都是基于弹性理论研究弹性体的受力/变形关系，这些模型大致分为两大类：弹簧质点模型 ( as m s- sr gm d1和有限元 ( E模型。弹簧质点模型简单， p n oe) i F M)易建造，计算速度快，并且适合并行计算。有限元方法是利用弹性理论以及预处理的方法计算变形和受力情况，于线弹性体的静对力学受力分析，限元法具有精度高的优点。但对于具有非线有性粘弹特性的对象如人体的器官组织，当受力发生大变形或者物

体拓扑结构改变时，边界条件随之改变，无法采用预处理的技术，影响了虚拟力计算的实时性。针对柔性变形体，02年 20MacH.E eL sae提出了线性弹簧链的控制理论，0 3 r .d usnt 20

地测量出手的姿态，反馈信息由安装在手套上的外骨骼机构力提供，为每个手指提供 1的持续力。能 2N

③点交互设备和专用设备。典型的点交互设备是 P a- hn t该设备通过具有 6个自由度操作终端与指尖进行点交 o m,互”。另外一种点交互设备是 Mc i大学的伸缩绘图仪， G1 1通过

单点反馈力信息。专用设备的一个例子是赫尔大学的计算机科学系研制的外科手术模拟器 V A S E T——虚拟环境膝盖关节镜检查训练系统，于对外科医生进行膝盖外科手术训练。除用此之外，还有运动交互装置 (身力反馈 )力反馈操纵杆、反 全、力馈鼠标、动轮等。驱 这些力触觉再现装置虽然能给操作者提洪较大范围的力触 觉反馈，由于作用力的产生和控制主要是基于电动、动、 但气液

年 O a rym提出了双质子系统的非线性振动算法。 smuHi a a a 以前研究者的注意力多是集中在单外力对柔性体的作用，05 20

压等有源执行器的输出控制，它们普遍存在体积大、重量重等问题，产生的摩擦力大，装置的摩擦力大和本身的重量大，容易使

年 A e . LY h ai m r A . am d将兴趣转移到多外力同时对柔性体的共 S同作用上来，具体研究了两外力对柔性模型的共同控制。在

操作者感觉虚拟物体时产生错觉。此外，电机难以工作在大出力的堵转状态，无法产生硬接触的感觉；而气动、液压执行器又存在严重的非线性干扰，以准确控制力反馈大小。这些问题难阻碍了力觉再现技术在虚拟现实技术中的广泛应用。 12被动力触觉再现接口装置 .

现实生活中，人手在施力物体世界中扮演着重要的角色，在很多时候是人直接用手去触摸柔性物体，因此针对人手对柔性体的建模和力分析研究具有重要的意义，成为近年来虚拟现实领也域中研究的热点。Jri od对于人手抓取多边形柔性物体提出了独立区域力封闭算法，他将柔性体划分为多个手指的控制范围， 在每个手指

的控制范围内对有摩擦和无摩擦两种情况进行力/ 力矩分析，这种算法对每根手指施加柔性体的力/力矩进行了精确计算，但没有考虑手指间控制区域的相互影响。20 07年 Mi al c e开始对具有 6个自由度的力反馈进行研究，只是针对 h但刚性碰撞且脱离了人手的实时控制。

被动力反馈驱动系统是能量耗散的，以本身具备稳定性所特点 .也不会对操作者造成伤害，并且比同体积主动力反馈系统反馈的力范围要大得多，以容易将力触觉再现装置做得很小、所 很轻，克服主动驱动器存在的缺点。所以基于制动器或离合器的被动力反馈系统经常被采用。电/流变液是一种液体智能磁材料，当有电/磁场存在时，流变学特性如粘度、其屈服力等

现有的虚拟力触觉模型，不论是刚体、柔性体还是粘滞物体

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虚拟现实的力触觉交互技术发展现状与趋势的建模，基本上是在给定力情况下研究力/变形模型，虚拟交互过程中，力触觉再现接口装置的输入通道大部分是测量操作者的姿态，如力触觉再现数据手套，作为输入通道的数据手套只测量手的运动姿态，以虚拟环境的力/所变形研究中，只能结合力人手的姿态和虚拟物体的特性，由人的经验给出。首先造成视觉误差，因为力由人的经验给出，由力计算变形，再而人的经验与实际情况总是有误差，所以也就造成物体变形的视觉误差；其次造成力触觉再现误差。如果能够根据手的运动姿态和虚拟物体的特性，建立物体的变形模型，再根据变形计算物体对手的反作用力，与现实世界的情况相符，将使虚拟力触觉交互过程的视

3 [0] I m ro oprt n C b r re E/ L] ht:/ w i me- 1 m es n C roa o. yefc[ B O . t/ w w.m r i i o pso c r/p d c s d n e a to/ y ef r e s t, 0 6. in. o n r ut o/3/i tr c in c b ro c . hml 2 0 B u tM, o s u G, u d a G, t . h te s trI- o f P p c B r e e T e Ru g r Ma e IND r e i o 1 a s o f c

febc 0e A] P c f y ps m o af tfcs rVr e ak v[ . r .o S oi nH p cI e ae i

d o m u i nr o f - t ni n et dT l prt ytm[] 20 15—12 u E vr m n a e oea rSs s c .02:4 l a o n e o e 5. su Re ly L b rtr Unvri o u u a Jp l t y y n aa l[2 Vi a ai a o ao, iest fTsk b, a a .We rb￣ 1] mat[ B O] ht:/nrn k.sk b.c j/ b w b w a- s e E/ L .t/ it . zt u a.p a— e/ er r p o u aa l ma t r we a l ma t r e h ml 2 0 . b e s e/ a b e se . t, 0 6 r_

[3 I ro o o t n C brrs E/ L] h p/ w w i e- 1] mme inC r r i . y egap[ B O . t:/ w .mm r s pao tso . o/p o u t//it r ci n c b r r s . hml 2 0 in c r r d cs 3d n e a to/ y e ga p s t, 0 6. n

[ 4 S na l T cnlg s T eP at E/ L] ht/ w w.e— 1] esbe eh o i . h o oe h n m[ B O . t/ w sn p:s b e c m/ a tc/ rdu t/ h n o h n 2 0 a l . o h p is p o cs p a t m. t d, 0 6.

觉再现与力触觉再现更具真实性。

1 l s[ 5 S ema P, adJW, h r n Y,ta. ugc rie s— 1] h r n K W r S ema V e S r ia tan ea es

3结束语在计算机及其图形图像技术、机器人学、人工智能、生学、仿 传感技术及互联网通信技术等飞速发展的基础上，经过研究者们对力触觉再现技术、力触觉建模技术等进行了多年的研究后， 虚拟现实的力触觉交互技术取得了长足的进步，随着虚拟现但实中虚拟操作任务越来越复杂，对虚拟操作的精度要求越来越提高，目前的虚拟现实力触觉交互技术中力触觉再现接口装置、

m n uigaV neat o o yt iigss m ( EK T:x et s E k e r rs p ann yt n hc r e V -A S) e—

p r na rsl[ . rc f0 nMe in e iul el e metleut A]P .o 1So d c eMetVr a a—

i s o i s t Ri[ .0 14 5—4 0 t C]20:6 y 7. [6]关丽.E F MR 1 R/ F在机械工程中的应用 ( ) J .上[]机械研究与应用，0 5,6:2一l 20 ( ) 1 4

[7 Maa ih Skgc iJniF rso N ou i aeu . as ef c 1] smc i a auh,u j uuh, ayk T kse Psi re v o dsl s gE r e n t cnrlepr et[ . rc f i a ui R ba sa di o t x e m ns A] P .o py n k s o i o IE ne. of nR b n uo[ .0 17—1 . E E It C n.o o.adA t. C]2 0: 2 r[8 Bch A. a g M. i oR A ayi adds f neet m g e 1] i i R u Rz . nls n ei o l r ant c i z s n g a c o—i sse r ecaatraino g e— el c ud r a- c ytmf hrc i t f nt o g a f is p o t h e z o ma or o l l h i o f h、

虚拟环境力触觉模型的保真程度还不能够满足虚拟现实的力触觉人机交互技术的需要，还有待于进一步发展和提高。

将被动力触觉再现和主动力触觉再现技术相结合，研究具有高保真的主/被动力触觉交互接口装置，将是虚拟现实力触觉交互技术中力触觉再现技术的发展趋势；基于变形/力模式的虚拟环境力触觉建模，将是构建具有高保真的力触觉虚拟模型的趋势。由此构成具有高保真的力触觉交互虚拟现实系统，在将军事、航空航天、工业制造、品设计、产医疗、育等领域得到广教泛应用。为社会生产、国民生活发挥重大作用。 参考文献：[]谢叻， 1张艳，张天宇，虚拟手术中的力学变形和力觉感知[]等. J. 医用生物力学，0 62 ( )2 1— 4 . 20,1 3:4 2 5 [] Y kkhi Hoi R L adK nd . a yucnsei w a yu 2 o oojY, ls ,n aa e Wht o a e ht o l T s Clfe[ . rc fteIE n u nent nlSmps m o a elA] Po.o h E E A na It ao a y oi n l l r i u Vs a R at[

] 19 4 iu ely C .96:6—5 . l i 3 [] K ai BokO, hn e a. ooi 3 ht O, rc C agK,t1 R bts&itrcv iuai b c neat es l o i m tn[] C mm nctno teAC 20 4 ( )4 J . o u i i fh M,02,5 3:6—5 . ao 1[] Mahd , l Lp sR D,t . iulrat iua r 4 c aoLS Mel A N,oe e a A vr a elys lt o 1 t i m o f n∞ w hreto eitct npatJ . tde el o b em ro avs fr da i sl[] Su i i H at p r r a n sn hT c n lg d I f r t s 2 0 8 2 3—2 7 e h oo y a n o mai, 0 1, 1: 9 n c 9 .

t neae[] IE r scoso gei,05,118 6一 i itr csJ .E ETa at n nMan ts20 4: 7 c f n i cl 8 9 7 .

[ 9 S nZ oghn, a ag YagQnjn e a. ei f oe 1] u h nse g B G n, n ig,t1 D s o nvl n u n g a o e ed akdt v a do n u t rf i ce A] f c ebc aa oeb e np emacat c l sl[ . r f l g s i i a mu s iP o .o r c fI EEE I t r a in l o f r n e o c ar n c d Au o . n e n to a n e e c n Me h t i sa t ma C o n

i『 .0 6 9 8— 7 . tn C]2 0:6 9 2 o

[ 0 Witr U eo m g eohoo c udi refebc oe 2] ne SH. s f antrel a f i naf c dakg v i g ll o e l[] IE r sc oso erlSs m d R h ittn E g- J .E E Ta atn nN ua yt sa ea l i n n i e n b i o a ine n,0 7,5 1 2—8 er g20 1 ( ): i .c i a o i[ 1 Jn n Do g So Kwo . pi x e me tt n o y rda 2] iu gAn, n—o n Ha t ep r n i n a h b c t

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R b tsadA t t n C]Wahntn D 20 11—16 ooi uo i[ . s igo, C,0 2:2 cn mao 2.[ 2 2]Bsoa adg n C.A y b s d h p i e d rn e h q e f r d s ly n a r— a e a t r n e g t niu ip a i g c i c o

saea dt tr f D ojc i vr a e v n et[ . r .o hp n e u o bet n iu l ni m nsA]P c f xe 3 s t r o o h S E D n cS s s a o t l is[ . 97:7— teA M ya i ytm d C n o Dv in C] 19 7 m e n r io8 4.

r E,e L sa tJ re J e Reai a ig i r e n 1 v m o[3 MacH d u s e,eo nB, ta. lt ed pn mp v s 2]

l e assr g m d l o ol i ce vm ns J . u n i a m s p n o e fga— r td moe et[] H ma nr i s deMoe n cec,0 2,1 1:5—10 vmet i e20 2 ( )8 S n 0.

[] P psuV G, udaG C, oz e a. iulelybsdtl 5 oec B re B ui M,t 1A v t— a t ae e t ra r i-— eeaitinss mwt re edak J .E ETas o fra rhbla o yt i f c e bc[] IE rn.nI om . it e ho f nt nT cnlg im dcn,0 0 4 1:5—5 . i eh o y i Bo e i e2 0, ( )4 o o n i 1

[4 2]

S ie o u Mu a k . p ia o faq a t e o a o o c e s r h g n b r o a Ap l t n o rzr s n trt a fr e s n o ci u o

b i n a r b tfn e r u e i r s r r c g i o n r n n ul i o g r f s n a ga p o e o n t n e vo me t t o i o i i

[] J .Me ue et20,4 3:

2 24 s a rm n,0 33 ( )2 9— 4 .[5 2]A1Ya ma i一 h d Ame Hsa T C. d l g a d c n r l f wo ma i ua rS, i Mo ei o to n p l - n n ot

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[ 6 2]

JriC. u . sta d f xbed tr n t no recoue id - 0d Ra lS Fa e il eemi ai ff c—ls r n e n l o o

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[] 19 o t b C . 99:l 2—1 9 7 7 .

[ 7 2]

O￣e a Mih e, d o tp a e, q i a t S i e g c a l Re n S e h n Co u l r a n .A i e r e o - l b sx d g e -f

f eo o -bet e o r a t i l f gdbde i u- rd m gdojc m t df pi ds a o i oi wt s e h o h c py r i s h r

[] L ek adC a C nate st ni tesn e cev n 9 u ceG R, hi H. o t nai h yt t ni - n Y cs o n hi o r met s gte IU frerf c n xsee n[ . rc fIE n i h S c l t geoklo A] P .o E E un o e ei t o A n a Smps m o iu l e i C] 19:9 n u y oi nVr a R a￣[ .9 7 12—18 l u t l 9.

f ep pre[] 1 ETasc oso i ai t na dC m ue a r et s J . c o i EE rn tn nVs la o o p t ai u zi n rG p is2 0。3 3:5 4 8 a r hc,0 7 1 ( ) 4 8~ 6 .

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