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面向自然人机交互的力触觉再现方法综述
资料介绍
力触觉再现技术借助力触觉人机接口设备,提供了操作者与虚拟环境之间的力触觉交互,使得操作者能够主动地触摸、感知和操纵虚拟物体,从而有效增强了虚拟现实等系统的真实感和沉浸感,进一步拓展了虚拟现实等技术的应用领域。传统的穿戴式、力反馈操纵杆式力触觉再现设备在便携性、操作空间等方面存在局限性,随着计算机技术与消费电子的快速发展,面向自然交互的力触觉再现方法受到广泛的关注。评述了传统的穿戴式、力反馈操纵杆式力触觉再现设备后,重点阐述了非固定式和非接触式的两类面向自然交互的力触觉再现方法。在对比分析不同的力触觉再现方法之间的差异后,探讨了面向自然交互的力触觉再现方法的未来发展方向。
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器
仪
表
学
报
38
10
期
Vol. 38 No. 10
Oct． 2017
第
卷
第
Chinese Journal of Scientific Instrument
2017
10
月
年
*
面向自然人机交互的力触觉再现方法综述
，
，
，
孙浩浩 赵丽萍
陆
熊
陈晓丽
(
211106)
南京航空航天大学自动化学院 南京
: ， ，
要 力触觉再现技术借助力触觉人机接口设备 提供了操作者与虚拟环境之间的力触觉交互 使得操作者能够主动地触摸
、
摘
， ， 。
感知和操纵虚拟物体 从而有效增强了虚拟现实等系统的真实感和沉浸感 进一步拓展了虚拟现实等技术的应用领域 传统的
、 、 ， ，
穿戴式 力反馈操纵杆式力触觉再现设备在便携性 操作空间等方面存在局限性 随着计算机技术与消费电子的快速发展 面向
。 、 ，
自然交互的力触觉再现方法受到广泛的关注 评述了传统的穿戴式 力反馈操纵杆式力触觉再现设备后 重点阐述了非固定式
。 ，
和非接触式的两类面向自然交互的力触觉再现方法 在对比分析不同的力触觉再现方法之间的差异后 探讨了面向自然交互
。
的力触觉再现方法的未来发展方向
: ; ; ;
关键词 力触觉再现 自然交互 非固定式 非接触式
: TP246． 2 TH132 : A
文献标识码
: 520． 60
国家标准学科分类代码
中图分类号
Haptic rendering methods for natural human-computer
interaction: A review
Lu Xiong，Chen Xiaoli，Sun Haohao，Zhao Liping
( College of Automation Engineering，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 211106，China)
Abstract: The haptic rendering technique provides the haptic interaction between the operator and virtual environment by means of a
haptic human-machine interface device，which enables the operator to touch，perceive and manipulate the virtual objects actively． The
haptic rendering method enhances the realism and immersion of the virtual reality system，and further expands the application field of
virtual reality technology． Traditional wearable haptic rendering devices and force feedback joystick haptic rendering devices have some
limitations in portability，operating space and other aspects． As the rapid development of computer technology and consumer electronics，
the haptic rendering methods for natural human-computer interaction gain wide concern． Firstly，this paper introduces the traditional
haptic rendering devices，such as wearable device and force feedback joystick device． Then，the haptic rendering methods for natural
human-computer interaction，including the ungrounded method and untethered method，are elaborated． After comparing and analyzing
the differences of different haptic rendering methods，the future development direction of the haptic rendering methods for natural
interaction is discussed．
Keywords: haptic rendering; natural interaction; ungrounded; untethered
、 、
是一种非常独特的 极其重要的 不可或缺的感知系统
。
1946
，
年人类制造出第一台电子计算机以来 人机
自
0
引
言
、 、
交互技术经历了使用键盘 使用鼠标 多媒体与鼠标共用
，
在人类与客观世界交互的过程中 人类的力触觉系
3
。 ， ，
个阶段 但是 在现实生活中 人与人之间的交互并非
( )
统提供了其他感知系统 视觉或听觉等 所不具备的双向
， 、 、 、 、
仅仅通过人手操作 而是通过视觉 听觉 触觉 味觉 嗅
［1］
， ，
让人类能够主动探索客观世界 因而
。
觉等多种感觉系统来实现的 为了使人机交互能够像人
信息和能量交互
: 2017-05
Received Date: 2017-05
收稿日期
*
:
基金项目 国家自然科学基金
( 61773205，61203319，61203316) 、 (
江苏省基础研究计划 自然科学基金
) ( BK2012383) 、
南京航空航天大学中
( NS2016032)
央高校基本科研业务费专项资金
项目资助
2392
3 8
卷
仪
器
仪
表
学
报
第
［12］
、
、
，20
90
，
年代 人机
。
这种力触觉再现装置固定在操作者身
与环境交互那样自然 准确 快捷
交互 进 入 到 多 模 态 的 人 机 自 然 交 互
nature interaction，HCNI)
世纪
联连杆机构
( human-computer
， ( 、
体上 通过向机械骨架上的多个关节 肩关节 肘关节和
。
) ，
腕关节 提供力反馈 模拟出手或手臂较大的受力状态
，
阶段
1989
，
年 美国
VPL Research
Lanier J
。
公司的创始人
比如模拟人手抓持物体时感受到的重量
20 70 ，
年代末 出现了最早的主从式遥操作系
( virtual reality，VR)
。
的概念 虚拟现实
提出了虚拟现实
世纪
［13］
， ，
技术是以计算机技术为核心 结合相关科学技术 生成在
Hardiman
，
它是被放置在从机器设备中的拟人化外
统
、 、 、
视 听 触 感等方面与真实环境高度相似的数字化环境
，
。 ，
骨架装置 它从操作者的手臂和腿部获得命令 被用来放
、
。
大人类操作的输出功率 但是这种早期的外骨架力触觉
借助必要的装备与数字化环境中的对象进行交互作用
， 。 ，
相互影响 可以产生身临其境的感受和体验 当前 虚拟
、
再现装置在驱动 计算和控制方法上存在一定的局限性
。
、 、 、
现实技术融合人机交互 人工智能 多媒体 传感器以及
( advanced robotics technology
先进机器人技术与系统
and systems，ARTS)
，
网络等多个信息技术分支的最新发展 使操作者在视觉
、
实验室设计发展出的第一个现代外
［14］
、 ，
听觉 触觉等多个方面与虚拟物体进行交互 成为力触觉
，
。
骨架设备
用于模拟手臂接触或碰撞环境时的感觉
。
再现技术的典型应用领域之一
该装置固定在操作者手臂上并直接通过肩膀和躯干支
［2］
1965 ，Sutherland I
年
， ，
撑 末端放置在操作者手上 用来复现遥操作系统从结构
首次提到了力反馈设备对于虚
; 1967
拟现实发展极有意义
，
年 美国北卡罗来纳大学的
; 7
的外 部 受 力 它 是 一 个 自 由 度
( degree of freedom，
［3］
Brooks F． P．
，
等人 开始进行药物分子重构方面的研究 用
DOF)
。
，
PERCRO
的力触觉再现装置 与此相似 意大利的
( perceptual robotics laboratory，PERCRO)
研究出
，
力触觉来进行药物分子重构 在此过程中涉及到分子层面
实验室
了基于身体式的外骨架力触觉设备 如图
( Maryland-Georgetown-Army，
，
的力反馈问题 将力触觉再现应用到虚拟现实领域
。
，
1( a)
。
所示
，
力触觉再现技术的引入 极大地提高了虚拟现实等
- -
马 里 兰 乔 治 城 陆 军
［15］
，
系统的真实感和沉浸感 进一步拓展了虚拟现实等技术
MGA)
，
外骨架设备
是一个为肩关节康复训练而设计
1( b) 。
所示 该外骨架装置由装配在
。 ， 、
的应用领域 近年来 力触觉再现方法在医学 科学可视
6 DOF
，
的设备 如图
、 、
化 机器人操作 机械制造以及电子游戏等领域有着越来
3
肩膀周围圆形连接机构上的 个轴交叉的可旋转关节结
［4-5］
［6］
，
、
用
、 。
构 固定在躯干上的肩胛骨关节结构等组成 通过在虚
越广泛的应用
于国际空间站的
觉反馈的机械虚拟原型系统 等等
在虚拟现实技术与力触觉人机交互技术的发展过程
比如力触觉医学触诊训练系统
［7］
Haptics-1
、
带力触
( ) ，
拟环境中设置刷墙场景 使用虚拟刷子 控制上臂的力
力触觉操作杆系统
［8］
。
，
触觉机构驱动肘部运动 并利用安装在握力练习机构上
。 ，
的传感器向操作者传递交互作用力 但是 当虚拟刷子
， ，
中 多种力触觉再现方法被研究出来 形成了多种多样的
， ，
离开虚拟墙自由运动时 依然存在粘滞阻力 这与现实世
(
力触觉再现设备 人机接口设备
) 。
。
界中的情况存在偏差
［9］
、
本文阐述了传统的穿戴式
力反馈操纵杆式力触
，
觉再现设备的研究现状 然后重点介绍了面向自然交互
［10］
，
的力触觉再现方法 并分类讨论了非接触式
、
非固定
［11］
。
两种面向自然交互的力触觉再现方法 在分析比
式
，
较不同方法性能的基础上 探讨了面向自然交互的力触
。
觉再现方法的发展方向
1
基于穿戴式和力反馈操纵杆式的力触觉
1
图
外骨架式力触觉再现设备
Fig． 1 Exoskeleton based haptic rendering devices
(
再现设备 方法
)
力触觉再现方法使操作者能够借助接口设备实现与
这些固定在操作者身体上的外骨架式力触觉再现设
，
虚拟环境的力触觉交互 其中基于穿戴式的和力反馈操
，
备通常包含各种驱动机构及传感机构 并借助机械连杆
。
纵杆式的力触觉再现方法是最典型的代表
， 、
机构连接 所以具有反馈作用力较大 控制精度高等优
［16-18］
， 、
点 常应用在危险环境的遥操作 外科手术仿真训练
1． 1
穿戴式力触觉再现设备
穿戴式力触觉再现设备主要包括固定在操作者身体
［19］
。
，
但是 这种外骨架式的力触觉
以及康复训练等领域
再现设备也存在如下的局限性
1)
。
。
上的外骨架穿戴式设备与基于数据手套的穿戴式设备
，
，
在力触觉再现过程中 为保证设备正常工作 常常
1． 1． 1
外骨架穿戴式力触觉再现设备
。
需要调整机械关节的位置和操作者关节吻合
外骨架穿戴式装置是固定在操作者肢体上的刚性串
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