【正文】 指標(biāo)是：自由度（ DoF）。由操作器的觀點(diǎn)看，自由度是關(guān)節(jié)的數(shù)目。這些關(guān)節(jié)是位置受控的，也是力矩受控的。 ? 接觸反饋和力反饋是很重要的感覺通道。 Cutt認(rèn)為： 人們以各種方式利用觸覺反饋完成任務(wù)。一種方式是探測部分環(huán)境，實(shí)現(xiàn)對物體、位置和方向的觸覺識別。其次，主動利用觸覺識別來操作或移動物體，完成任務(wù)。在虛擬環(huán)境中缺乏觸覺識別就失去了給用戶的主要信息源。當(dāng)前在虛擬環(huán)境中主要的數(shù)據(jù)獲取是用視覺和非接觸傳感器，如聲音。許多任務(wù)需要靈巧的操作和接觸感（如遙控機(jī)器人探測和感覺物體的表面形狀），沒有觸覺識別就不能滿足它們的信息要求。 下圖表示，各種不同類型的抓取動作。圖中從左到右，按照力量大小和靈巧程度排列 ? 接觸接口允許用戶接觸、感覺、操作、創(chuàng)造、以及改變虛擬環(huán)境中的三維虛擬物體。人類的接觸功能在與虛擬環(huán)境交互中起重要的作用。接觸感不僅可以感覺和操作，而且是人類許多活動的必要組成部分。因此，沒有接觸和力反饋，就不可能與環(huán)境進(jìn)行復(fù)雜和精確的交互。 2．接觸反饋和力反饋的要求 在虛擬現(xiàn)實(shí)交互中，沒有真實(shí)的被抓物體。虛擬接觸反饋和力反饋需要復(fù)制實(shí)時(shí)計(jì)算的接觸力、表面形狀、平滑性和滑動等。除了對所有傳感通道的實(shí)時(shí)要求外，對虛擬接觸反饋和力反饋還有某些特殊要求。 首先是安全性，因?yàn)樘摂M力反饋在用戶手上加真實(shí)的力。這種力應(yīng)該是大的，使用戶的手停?。ㄔ谟参矬w仿真中）。同時(shí)這種力不應(yīng)該大到傷害用戶。在這種情況，好的設(shè)計(jì)是 故障 安全 的，一旦計(jì)算機(jī)出故障，用戶也不會受傷害 ? 另一個(gè)問題是所用的反饋執(zhí)行機(jī)械的類型。液壓執(zhí)行機(jī)械是遙控機(jī)器人設(shè)計(jì)者的選擇，這是由于其優(yōu)越的控制帶寬。但在虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中，特別是非工業(yè)設(shè)備上，液壓是危險(xiǎn)的（由于高壓泄漏），臟的。液壓控制閥很昂貴，使硬件成本很高。如果這些系統(tǒng)大量應(yīng)用在非工程上，則寧愿選擇便宜且安全的技術(shù)。氣動執(zhí)行機(jī)械是便宜、干凈的，并因空氣的彈性，它是安全的。它的控制帶寬低于液壓執(zhí)行機(jī)械。但與以前介紹的慢的手阻抗控制器比，氣動執(zhí)行機(jī)械有較高的帶寬。 另一個(gè)問題是輕便和用戶的舒適。力反饋執(zhí)行機(jī)械的困難是需要提供足夠的力，同時(shí)保持反饋硬件輕便且無打擾。如果執(zhí)行機(jī)械太大且太重，則用戶很容易疲勞，并且不希望笨重的開環(huán)控制。重的反饋結(jié)構(gòu)可能需要加配重，但這會增加復(fù)雜性和價(jià)格。輕便也涉及到容易使用和在現(xiàn)場安裝。 安全問題是接觸反饋和力反饋的首要問題。大部分接口設(shè)備是無接觸式的，與人體不接觸，不會傷人。機(jī)械式位姿傳感器是接觸式的，但是它只測量，不產(chǎn)生力，也不會傷人。接觸反饋和力反饋設(shè)備需要對人體施加力。一旦發(fā)生故障，就會對人體施加很大的力，傷害人 3． 接觸反饋和力反饋的技術(shù) 接觸接口需要幾種機(jī)械部件，以及描述環(huán)境性質(zhì)的模型和軟件。至今還只有很少的接觸反饋和力反饋設(shè)備。他們采用下列的技術(shù)。 （ 1）軟件和模型 （ 2）心理物理學(xué) （ 3）作用器 （ 1）軟件和模型：這是必要的。這是為了確定用戶的肢體與虛擬物體的碰撞，并產(chǎn)生適當(dāng)?shù)牧妥饔?。只有少量軟件支持接觸接口設(shè)備，如 MSDirectInput, Cyberimpact SDK, Sensable Technologies GHOST, 和 Immersion39。s FeelIT。 下圖表示，實(shí)現(xiàn)力反饋的系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。動態(tài)仿真部分計(jì)算物體（包括工具和其他物體）的位置。一方面把這些位置送給圖形計(jì)算機(jī)，在圖形終端上顯示。另一方面動態(tài)仿真部分根據(jù)工具和物體的接觸，計(jì)算工具上承受的反饋力。把反饋力信號送給觸覺設(shè)備驅(qū)動器，在手柄的觸覺設(shè)備上施加相應(yīng)的反饋力。動態(tài)仿真部分接受手柄的位置信號，用于上面的計(jì)算。 2 觸覺顯示設(shè)備 ? 接觸反饋在物體辨識與操作中起重要作用。它也檢測開始接觸，所以在任何力反饋系統(tǒng)中也是需要的。人體具有二十種不同類型的神經(jīng)末梢，給大腦發(fā)送信息。多數(shù)感知器是熱、冷、疼、壓、接觸等感知器。接觸接口給這些感知器提供：高頻震動、形狀或壓力分布、溫度分布等信息。 1．氣動接觸反饋 提供接觸反饋的一種方法是使用安裝在手套上的微型空氣袋。這種途徑是 Advanced Robotics Research Ltd.(ARRL)和 Airmuscle Teletact Glove時(shí)采用的。 系統(tǒng)包括兩個(gè)單襯套 Lycra手套，一個(gè)手套有 20個(gè)力敏感電阻（ FSR），另一個(gè)手套有 20個(gè)空氣袋。這些空氣袋安放在手掌上，與 FSR位置對應(yīng)。當(dāng)用戶抓取真實(shí)物體時(shí)，F(xiàn)SR手套用于產(chǎn)生簡單的接觸模式。這些模式被傳送并記憶。一旦讓空氣帶重現(xiàn)這個(gè)接觸模式，就使戴這個(gè)空氣袋式接觸反饋手套的人感覺到虛擬的接觸。 比例控制接口用于驅(qū)動空氣袋的充氣（直到 12磅 /平方英寸）和放氣。它包括 20個(gè)電子 氣動閥門板，每個(gè)閥門板有兩個(gè)電磁閥控制流入和流出空氣袋的氣流。每個(gè)空氣袋有兩個(gè)毛細(xì)管，一個(gè)為了進(jìn)氣，一個(gè)為了排氣。共計(jì) 40個(gè)細(xì)管捆在一起，連到控制器。所需的氣壓是由在控制接口的小型壓縮機(jī)提供 此后， ARRL/Airmuscle開發(fā)了 Teletact II手套。改進(jìn)包括增加了空氣袋的數(shù)目（ 29個(gè)小的空氣袋和 1個(gè)大的空氣袋），更好地分散接觸。食指有四個(gè)空氣袋的陣列，這可以順序驅(qū)動，模仿虛擬物體滑動。此外，一個(gè)大的空氣袋放在手掌。當(dāng)加壓到 30磅 /平方英寸時(shí)，它抵抗用戶的抓取動作，提供對手掌的力反饋。 ARRL也開發(fā)了 Commander。這是無手套的接觸反饋設(shè)備，它有一個(gè)手柄，上面安裝 Polhemus跟蹤器和三至五個(gè)小空氣袋。這類似于 Teletact手套使用的，并充氣至 12磅 /平方英寸。為了減少系統(tǒng)的總價(jià)格，用簡單的電磁驅(qū)動活塞代替了壓縮機(jī)。對長達(dá) 8米的微細(xì)管，它是很有效的。由活塞到空氣袋的管路經(jīng)過手柄的內(nèi)部，以免被碰壞 下圖表示空氣袋式接觸反饋。（ a）為 Teletact手套，圖中表示了手指上的空氣袋 （ b）為 Teletact II手套，圖中表示了 29個(gè)小的空氣袋和 1個(gè)大的空氣袋在手上的分布 氣動接觸反饋中，空氣袋的尺寸不能太小。上述產(chǎn)品中，每個(gè)手指上最多只有 3， 4個(gè)空氣袋。這就無法達(dá)到一定的分辨率。下述的點(diǎn)陣式振動觸覺反饋可以解決這個(gè)問題 2．振動觸覺反饋 Pinbased display 是筆尖（探針）的陣列，能提供幾種不同的感覺模式。但是，探針的尺寸和數(shù)量也受到限制。 下圖表示一種探針陣列式的振動觸覺反饋設(shè)備 . 一種接觸反饋技術(shù)是使用振動觸覺（聲音線圈），如Audiological Engineering 。 Patrick［ 1990］組合兩個(gè)這樣的線圈，用于他的 指尖接觸顯示 。為驅(qū)動兩個(gè)虛擬手指所需的位置數(shù)據(jù)，來自 Exos的靈巧手設(shè)備的拇指和食指。 使用實(shí)時(shí)控制電路的可變放大調(diào)制器以 250 Hz驅(qū)動聲音線圈。設(shè)計(jì)應(yīng)用了兩個(gè)通道，每個(gè)聲音線圈一個(gè)通道。由公共電壓控制增益的雙通道放大器放大由函數(shù)生成器來的信號C。由作為主計(jì)算機(jī)的 PC送來的模擬電壓調(diào)節(jié)增益。用兩個(gè) （ A和 B）調(diào)制正弦波 C，并產(chǎn)生兩個(gè)調(diào)幅信號（ D和 E）。這些信號由兩個(gè)功率放大器放大，產(chǎn)生線圈所需的較大信號（ F和 G） Patrick此后進(jìn)行了人的因素的試驗(yàn)，測試他的反饋系統(tǒng)。測試表明，在這個(gè)簡單的兩手指情況，使用觸覺與視覺顯示結(jié)合比僅用視覺顯示改進(jìn)性能 10%。然而當(dāng)視覺顯示惡化時(shí)（對于仿真低可見度任務(wù)），增加觸覺反饋對性能的改進(jìn)多于 30%。 1993年夏天， EXOS 新產(chǎn)品。系統(tǒng)稱為 The Touch Master（接觸設(shè)備）。它有 6到 10個(gè)聲音線圈，以 210 Hz的固定頻率激勵(lì)。為了改變反饋信號的頻率和幅度，可以用任意的控制?？們r(jià)格 4000美元，包括信號調(diào)節(jié)盒。 即使沒有空間分布的信息，聲音線圈也提供性能的改進(jìn)（由于其結(jié)構(gòu)，聲音線圈的振動盤不能仿真單個(gè)指尖上的不同的接觸點(diǎn)）。提供這種空間信息的一種技術(shù)是使用微針陣列，類似于 Braille顯示器所用的陣列。這些顯示器是小針或空氣噴嘴的陣列，它們可以被激勵(lì)，以壓迫用戶的指尖。不久以前，這些設(shè)備還太重，因此不能用于虛擬現(xiàn)實(shí)的接觸反饋 聲音線圈的振動觸覺反饋設(shè)備，尺寸和重量較大。下述的使用輕型形狀記憶合金的振動觸覺反饋，可以減小尺寸和重量。 Johnson［ 1992］取得專利，一個(gè)輕型 可編程接觸仿真器 ，他使用輕型的形狀記憶合金（ SMM）驅(qū)動器，來減少重量。這些微針排列成矩陣。 下圖表示形狀記憶合金的工作原理。馬氏體的棒彎曲后，再加熱，成為奧氏體。冷卻后，又恢復(fù)為馬氏體，并恢復(fù)原始形狀。 Martensite 馬氏體 Deforming the Martensite 彎曲馬氏體 Deformed Martensite 彎曲的馬氏體 Austenite 奧氏體 （ a）為作用器的陣列，（ b）為單個(gè)作用器的結(jié)構(gòu) 每個(gè)接觸元件都是一個(gè)細(xì)的拉長的懸臂梁，它的一端向上彎成90176。 ，另一端固定在底座上。一條很細(xì)的 SMM線，如 TiNi（鎳 鈦）合金，聯(lián)到懸臂梁的彎曲端。在電流通過 SMM線時(shí)，他就因焦耳效應(yīng)發(fā)熱。這個(gè)合金將收縮，向上彎曲懸臂梁角度 θ。在懸臂梁彎曲端上的塑料帽將通過矩陣的頂蓋伸出，與指尖接觸。反之，當(dāng)電流切斷時(shí)， SMM線冷卻，懸臂梁把針收回驅(qū)動器陣列內(nèi) 每個(gè) SMM驅(qū)動器獨(dú)立地由 脈寬調(diào)制器 控制，其工作循環(huán)為 50%（控制電流 通 與 斷 的時(shí)間大至相同）。脈寬調(diào)制器的頻率約 20 Hz，以便防止 SMM過熱和破壞。加熱驅(qū)動器的電流由各自的接口控制。它有 通 /斷 開關(guān)，加 5伏于并聯(lián)的 SMM驅(qū)動器的一端。每個(gè) SMM線的另一端有自己的控制電路。閉鎖芯片接收主 PC輸出的信號，加 5伏于每個(gè)控制模塊。當(dāng) 5伏加于 FET晶體管時(shí)，晶體管將關(guān)閉通過 SMM的線，限制電阻和地的電流。當(dāng)具體的 SMM驅(qū)動器接通時(shí)， LED提供光學(xué)反饋。 在軟件的控制下， PC輸出線循環(huán)地按空間和時(shí)間序列轉(zhuǎn)換驅(qū)動器的通 /斷。時(shí)間通 /斷序列在指尖上造成振動感。空間通 /斷序列激勵(lì)不同的微針，傳達(dá)接觸表面的形狀。其中一個(gè)虛擬手指在與虛擬物體邊緣接觸時(shí)平移。相鄰行（或列）順序被激勵(lì)（行 1，行 2，等），與虛擬手指運(yùn)動同步 ? 在上例中，計(jì)算、控制和通信都是由 PC主計(jì)算機(jī)處理的。 Xtensory 系統(tǒng)，稱為 Tactools。它包括稱為 Tactors的驅(qū)動器陣列（達(dá)每個(gè)指尖 3′3），以及基于微處理器的控制接口。微處理器使用接觸反饋模式數(shù)據(jù)庫，模式對應(yīng)邊、孔等。主計(jì)算機(jī)要求的唯一的輸入，是簡單的 ASCII模式命令。這減輕了 PC主機(jī)不必要的計(jì)算，因此減小了通信帶寬要求。 Tactools系統(tǒng)當(dāng)前價(jià)值約3000美元 3．增強(qiáng)的接觸反饋 在 Salford大學(xué)（ UK）的研究是要制造增強(qiáng)的接觸反饋，它增加了溫度和熱傳導(dǎo)反饋。溫度信息可以幫助識別虛擬物體是冷是熱，甚至代替 疼痛 （危險(xiǎn)）反饋。 增強(qiáng)的接觸反饋的設(shè)備（ Thermode） 包括：熱電子的熱泵，溫度傳感器，以及熱槽。熱泵把熱量送進(jìn)或送出熱槽，在設(shè)備的表面產(chǎn)生特定的溫度 下圖表示， Thermode的外觀。它包括電子機(jī)盒和套在手指上的設(shè)備 應(yīng)該注意，熱感覺不僅是一種溫度感覺，也會產(chǎn)生接觸感和疼痛感。 組織 /滑動反饋由熱反饋增強(qiáng)。相應(yīng)的驅(qū)動器是小的 Peltier Effect熱泵，其尺寸為 15毫米 ′15毫米 ′3毫米，重量小于 10克。功率輸出是 15瓦，提供很快的加熱和冷卻，直至泵的冷熱表面間的溫差為 65176。 C。為了改進(jìn)控制，快速響應(yīng)僅 10毫秒的小型熱電偶安裝在Peltier泵表面，與皮膚接觸。上述系統(tǒng)的性能測試表明，基于其溫度與熱傳導(dǎo)的物體識別率為 84%。 另一個(gè)測試是 疼痛 反饋，即識別危險(xiǎn)（不安全條件）。它的實(shí)現(xiàn)使用同樣的熱反饋驅(qū)動器。很快增加溫度到 50176。 C，會產(chǎn)生疼痛感。試驗(yàn)者對這個(gè)過載條件的反應(yīng)時(shí)間小于 1秒。 4．醫(yī)學(xué)仿真中的接觸反饋 ? Eye Surgery Simulator 是給醫(yī)學(xué)院大學(xué)生和外科醫(yī)生提供訓(xùn)練的虛擬環(huán)境。訓(xùn)練者觀看照片一樣的圖像。操作器上施加線性接觸反饋，使人感到工具與人體組織的交互。 Eye Surgery Simulator HT Medical Systems 開發(fā)了手術(shù)前的血管內(nèi)仿真器，訓(xùn)練臨床醫(yī)生醫(yī)學(xué)操作。 下圖表示血管內(nèi)仿真器 3 力覺顯示設(shè)備 力反饋設(shè)備應(yīng)該跟蹤用戶身體的運(yùn)動，以及用戶施加的力。根據(jù)這些數(shù)據(jù)，力反饋設(shè)備確定它加給用戶的力。這種接口的目標(biāo)是給用戶提供立即的，高逼真的，可信的真實(shí)交互。 1．力反饋鼠標(biāo) FEELit Mouse 力反饋鼠標(biāo) FEELit Mouse是給用戶提供力反饋信息的鼠標(biāo)設(shè)備。用戶像使用普通鼠標(biāo)一樣，移動