基于人机交互技术对力觉反馈设备的研究与应用
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[摘 要]力觉反馈设备是人机交互技术中力觉感知的关键，本文介绍了几类重要的力
觉交互设备：力反馈数据手套、可穿戴的通信设备、力反馈游戏设备以及六自由度笔杆式力反馈设备。并介绍了其在不同领域的应用情况，最后展望了其发展趋势，针对力反馈设备未来的研究方向提出了建议。
[关键词]人机交互；力反馈设备；应用领域；发展方向
中图分类号：TP391.9 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）35-0224-02
传统的人机交互技术包括：机器通过输出或显示设备给人提供大量有关信息及提示请示等，人通过输入设备给机器输入有关信息，回答问题及提示请示等。信息主要以视觉、听觉的形式存在。如果在系统中加入力觉反馈设备，使用户有触觉的感受，用户不仅能看到屏幕上的物体，听见设备发出的声音，而且能够通过触碰感知、操纵这些虚拟物体，从而产生更真实的沉浸感。力觉在交互过程中有起着至关重要的作用，对人们的信息交流和沟通方式将产生深远的影响。
所谓力反馈（Force Feedback），本来是应用于军事上的一种虚拟现实技术，它利用机械表现出的反作用力，将虚拟数据通过力反馈设备表现出来，可以让用户身临其境地体验虚拟现实中的各种效果。 力反馈技术能将虚拟现实中的数据转化成用户可以感觉到的效果，例如道路上的颠簸或者转动方向盘感受到的反作用力，这些效果都是力反馈控制芯片传递出来的。本文总结了力觉交互技术的发展历史，列举了几类主要力反馈设备和当前的应用领域，并对未来的发展方向稍加说明。
1.力反馈设备的发展历史
力觉交互设备的研究开始于18 世纪初，起初使用简单的连杆和绳索来传递运动和力，慢慢的发展成机械臂。后来产生的计算机技术和人们对与虚拟世界进行交互的向往，推动了力觉交互设备的产生。20 世纪90 年代初，这些装置还主要用于军事仿真研究，比如训练士兵模拟射击和驾驶作战工具。20 世纪50 年代，R. C. Goertz 在核废料处理主从操作机器人系统中首次提出了力觉主手的概念。1990 年，Masao Inoue 等人设计出一种具有力觉临场感的机器人系统，其力觉主手即力反馈装置采用直角坐标结构，3 个相互垂直的滑轨实现位置运动，3个旋转轴则实现姿态运动，在运动形式上完全解耦。1993 年，麻省理工学院人工智能实验室的Salisbury 等开发了一种装置，它实现了点接触力的传递，可以用来产生指尖与各种物体交互的感觉，给人们提供了前所未有的精确的力觉激励，名为“Phantom 触觉界面”。其后，游戏开发者将其移植到游戏设计中。1997 年，微软公司推出的DirectX5 技术正式将力反馈技术的支持加入到了Windows 程序的开发环境中，标志着力反馈技术趋于成熟和标准化。
2.力反馈设备
2.1 力反馈数据手套
力反馈数据手套四借助数据手套的触觉反馈功能，用户能够用双手亲自“触碰”虚拟世界，并在与计算机制作的三维物体进行互动的过程中真实感受到物体的振动，让用户真实感触到物体的移动和反应，能够营造出更为逼真的使用环境。数据手套中典型代表有：日本庆应义塾大学（Keio？University）的Tatsuya？Koyama设计的Multi-fingered？master？hand力反馈数据手套，重量轻且结构简单[1]；美国Burdea设计了由4个微型气缸作为驱动器的Rutgers master glove[2]；美国Bouzit设计了由力矩电机驱动的外骨架式LRP数据手套[3]，哈尔滨工业大学的孙中圣博士设计的基于气动人工肌肉的外骨架式力反馈数据手套[4]；中科院研制的采用线性电磁铁作为驱动部件的Cas-Grasp力反馈数据手套[5]
2.2 外骨骼交互设备
外骨骼交互设备，即能够为整个胳膊或其他身体部位提供力反馈信息设备，其中爱荷华州的力反馈外骨骼机构利用磁场为使用者提供力信息[6] 。VT公司生产的已经商品化的力反馈机构Cyber Force，将力信息反馈到使用者的臂部[7]。俄亥俄州大学机械工程系1998年研制一个较大的的FRE―FLEX是固定输入设备[8]。 SouthernMethodist大学的系统实验室开发的一种外骨骼气动装置[9]叫“Master Arm”，可以根据操作者的体型而进行自身的尺寸调节，非常人性化。
2.3 可穿戴通信设备
最近，可穿戴设备中也加入了力觉反馈技术，让信息通过触觉传递给人类。现在已经有创新科技公司开始针对触觉进行研发，让智能手环成为更好的交互工具。在今年2月份巴塞罗那举行的世界移动通信大会上，Immersion详细介绍了一款可以利用触觉进行通讯的平台――TouchSense Core 。该平台为电动机创造出了一种语言，并可搭载在智能手表等可穿戴设备中进行触觉通讯。除此之外，它还可以独立完成一些细微信息的传达。
2.4 力反馈游戏设备
力反馈的游戏设备可在游戏动态的实景中提供立即及真实反应。本文主要介绍两种，即力反馈摇杆和力反馈方向盘。
2.4.1力反馈摇杆
力反馈摇杆能带给你什么效果？当你在游戏中与敌人在空中缠斗时，你可以感受到高速转弯时造成的真实的剧烈重力拉扯，也可以感受到坦克大战中爆炸所发出的冲击波，甚至连赛车时车体与车体间碰撞时隐隐的触感都能逼真呈现。罗技新的力反馈摇杆WingMan Force是采用线传动力反馈技术的代表作，从而改善因为齿轮咬合而造成的震动间断，比起传统齿轮机械式震动方式，震动的感觉要来得更加细腻敏锐。采用线传动技术后，其震动频率可高达每秒250次，让玩家在赛车时，能彻底真实地感受到车辆在不同地面的震动质感。
2.4.2力反馈方向盘
力反馈天驹赛车方向盘WingMan Formula Force是赛车方向盘的风头产品，也采用了最新力反馈式线传动技术，独特的线传动技术跳脱原来齿轮传动所造成的不平顺和停顿感，使得选手如真实比赛中的赛车手一般。基于这样的游戏设备，通过网络的远程教育，我们便可以在家上驾校了。
2.5 六自由度力觉交互设备
近几年一种体积小，外观简洁，6自由度力觉交互设备的出现引起了轰动。其中，SensAble科技公司的PHANTOM？系列力觉交互设备能使用户接触并操作虚拟物体，不同的PHANTOM产品系列分别适合于从事不同研究领域或商业需求的用户。PHANTOM Desktop（桌上型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 （110/230 VAC）即可。笔尖内的编码器能感应到6自由度左右的范围。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。
3.力反馈设备的应用领域
随着虚拟现实技术的发展，具有力反馈功能的虚拟现实系统在医学上得到了广泛地应用。例如，外科手术医生的培训、牙科医师的训练和远程遥操作手术等。初出茅庐的医学院新生，必须积累了足够的实践经验才能成为一名技艺高超的牙科医生，而现阶段最佳途径是在病人身上进行若干次的临床磨练。而医疗教学事故引发的医患矛盾近年来越来越突出，医学生临床实践的机会受限成为我国医学教学领域培养合格临床医师的最大障碍。借助显示设备和力反馈设备在虚拟的环境下进行虚拟手术有重要意义。虚拟现实力反馈系统已经成为医学教育和治疗的辅助工具，正被越来越多的人开始关注。虚拟现实力反馈系统能够展现微观世界中物体间的相关作用，让学生亲身操作微观的三维化数据，能帮助学生更好地感知复杂的数据[10]北航的王党校等人针对汉字书法模拟，建立了人的触觉技能表达和逼真度评价模型，能够逼真显示汉字书写过程[11]。华盛顿大学和斯克里普斯研究所共同研制了具有力反馈的分子生物模型来，提供了直观的科研环境[12]。力反馈技术在机器人领域也有重要应用，可以远程医疗机器人、康复机器人、工业机器人使用。
4.力反馈设备未来前景展望
力反馈设备实现了感官中除了视觉、听觉以外的第三种人机交互方式，但是要平衡好实时性和稳定性之间的关系，未来还可以结合DK2，Google glass等装置，实现完全沉浸在虚拟世界的目标。
参考文献：
[1] Tatsuya Koyama，IkuoYamano.Multi一fingered exoskeleton haptic device using passive Force feedbaek for dexterous teleoperation.2002 IEEE conference on Intelligent and Systems，2002，10：2905一2910.
[2] Bouzit M，Burdea G，Popescu G，，et al.The rutgers materⅡ-new design force-feedback glove[J].IEEE/ASME Transactions on Mechatronics，2002，7（2）：256-263
[3] Bouzit M.Design，implementation and testing of a data glove with force feedback for virtual and real objects telema-nipulation[D].Paris：University of Pierre ET Marie Curie，1996.
[4] 孙中圣，包钢，李小宁.影响数据手套力反馈的因素分析.机床与液压，2008，10：21一23
[5] 原魁，朱海兵，杜清秀.一种虚拟现实系统接触交互接口.中国体视学与图像分析，2001，9：153一156.
[6] Luecke G R，Chai Y H.Contact Sensation in the SyntheticEnvironment Using the ISU Force Reflecting Exoskeleton[C].IEEE Virtual Reality Annual Symposium，1997.
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[9] Hurmuzh Y，Ephanov A，Stoianovici D.Efect of a Pneumatically Driven Haptic Interface on the Perceptional Capabilities of Human Operators[J].Presence，M1T Press，1998，7（3）：290―307.
[10] R. M. Taylor. Haptics for Scientific Visualization. Proceedings of ACM SIGGRAPH2005 Courses， New York USA， 2005：756-764
[11] F. P. Brooks， M. Ouh-Young， J. J. Batter， et a1. Project Grope-Haptic Displays for Scientific Visualisaotion. Computer Graphics， 1990，24（4）：177-185
[12] 王党校， 张玉茹， 姚冲. 力反馈汉字书法模拟的任务规划和逼真度评价. 系统仿真学报， 2006，18（8），2307-2326