虚拟现实 触觉 with references

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1、.虚拟现实：触觉在触觉虚拟现实设备中，首先介绍了触觉虚拟现实设备了理论基础和物理原理。然后我们介绍了触觉虚拟现实设备目前的理论发展情况。接着，我们介绍了一些桌面式虚拟现实反馈设备，如PHANTOM、MIRAISENS，以及一些穿戴式虚拟现实反馈设备，如CyberGrasp、中视典数据手套。最后，我们展望了触觉虚拟现实理论基础在今后能够有哪些改良和发展，以及触觉设备在今后能够有那些方面的提升和创新。一、背景虚拟现实技术是一种有效的模拟人在自然环境中视、听、动等行为的高级人机交互技术。在实现了视觉体验与听觉体验的高度结合之后，虚拟现实技术开始朝人类的触觉感官进发。触觉

2、源自于希腊语“Haptesthai”，意思是解除物体的感觉，触觉指的是人通过皮肤对热、压力、振动、滑动以及物体表面纹理、粗糙度等特性的感知。触觉反馈是指在人机交互过程中，计算机对操作者的输入做出响应，并通过触觉反馈设备作用于操作者的过程。二、工作原理触觉反馈的虚拟现实系统由操作者、触觉反馈设备和虚拟环境组成。触觉反馈设备的主要功能是利用传感器测量操作者的运动和位置，将数据实时、准确地输入计算机，并且将虚拟环境中生成的力感和触感反馈给操作者，让操作者又身临其境的沉浸感。虚拟环境接受由传感器传入的数据，根据一些特定的算法生成三维图像和控制信号，分别传给显示设备和触觉反

3、馈设备。三、理论研究...力觉和触觉的生成研究最早可追溯到1954年。在远程控制的核环境集成机器人系统中，德国科学家开展了力觉生成的研究。经过几十年的缓慢发展，人们逐渐意识到触觉的生成和反馈具有广泛的应用前景。近年来，触觉再现技术的重要性已被广泛认识并开始得到重点研究。美国的斯坦福大学、哈佛大学、西北大学、华盛顿大学、麻省理工学院等先后开展了触觉建模和触觉再现的研究。目前，最常见的力觉和触觉生成算法是利用PHANTOM设备，根据虚拟物体的刺穿深度运用虎克定律计算接触力。当用户手指操作PHANTOM设备与虚拟环境交互，作为手指化身的“Avatar”接触到虚拟物体时，

4、Massie和Salisbury提出用弹簧线性力学模型来模拟它们之间的力学关系，运用虎克定律计算作用力，并且反馈到用户的真实手指上。依据虚拟物体刺穿深度的不同求解方法，该方法又可分为基于点的接触力生成算法和基于射线的接触力生成算法。国内对触觉生成也展开了相关研究。浙江大学CAD&CG国家重点实验室的杨文珍等通过试验得到指尖接触力与接触面积之间关系的数据样本，利用回归方程建立两者之间关系的经验公式，然后以虚拟指尖接触面积为变量计算出指尖接触力。采用软手指接触模型。依据虚拟手最小平衡力抓持假设，用近似摩擦锥等作为优化目标函数来求解抓持力，并最终在虚拟环境中进行了实现。

5、东南大学的吴涓和宋爱国等提出了一种基于物理意义的快速力反馈形变模型和实时力觉相应算法。该方法不仅计算速度快，可以满足力反馈的实时性要求，而且能够同时保证接触力和形变的计算具有较高的精度。一、产品开发1.桌面式反馈设备桌面式反馈设备通常是固定在桌面或者是地面上的，更像是一个小型的机器人。操作者控制这些桌面式反馈设备的末端进行操作。反馈设备通过检测末端点的位置来计算力的大小，通过驱动装置来给操作者提供触觉反馈的感觉。（1）Phantom由美国Sensable公司生产的“Phantom”是一个典型的桌面式反馈设备，在世界范围内都用得很广泛。在Phantom发明之前，电脑

6、使用者仅能凭借看或是听和电脑或设备互动，而在很多任务或工作中都扮演着最重要角色的触觉，很显然的被忽略了。Phantom的出现改变了这样的情况。就像使用者通过屏幕看见影像，通过音响装置听见合成声音一般，Phantom可以让使用者触摸并且可操作虚拟的物体。...Phantom是一款具有优越性能，符合人体工程学，支持所有常用的软件又同时兼具美感的低价位产品。它专为商业用途而设计，可以经过EPP连接电脑，使用一般的电压即可。笔尖内的编码器能感应到6自由度左右的范围。本产品携带方便，具有设计良好的底座，一般接口以及安装简便的多项优点。Phantom设备可以提供大概为人的整个

7、手臂绕肩部旋转的运动范围。他包括了一个指套或万向节把手（二选一），可以提供3个自由度的位置感应和3个自由度的力反馈。可编程万向节铁笔可以对另外的3个位置感应进行测量。用户可以选择安装可编程铁笔、指套和用于进行手臂装配的万向节把手（需单独购买）。Premium3.0设备通过并口（EPP类型）与PC连接。支持的操作系统很多，可以在各种系统中运作。PHANTOMPremium3.0HF(高强度力感)设备可以提供更强的力感，该版本的设备包含了内置的齿轮箱选项。力反馈设备的应用领域十分宽泛，军事、医疗、游戏、模拟仿真、虚拟现实、远程操控等等很多领域都是它一展拳脚的舞台，这款

8、SensA