Touch&Fold：一种可折叠的触觉执行器，用于在混合现实中呈现触摸

文献标题

Touch&Fold: A Foldable Haptic Actuator for Rendering Touch in Mixed Reality

文献信息

• 主题领域: 混合现实（MR）中触觉呈现技术
• 关键词: 触觉、可穿戴设备、混合现实、触觉反馈、振动、线性共振执行器、自包容设备、触感传递、虚拟与现实交互

研究背景与问题

• 研究问题与挑战:

  • 在混合现实（MR）中，为了感知虚拟对象触感的同时保持对现实物体的触觉，传统触觉设备面临掩盖用户手指触感的限制。
  • 当前设备如外部振动器仅提供指甲上的触觉反馈，无法产生压力感或真实的触感体验。
  • 現有解决方案（如贴片式驱动设备等）虽尽可能减少用户触感的干扰，但仍影响用户对真实物体的细微触觉感知。

• 重要性: 混合现实目标涉及工具操作、修理和建造等任务，需同时具备真实世界和虚拟世界的触觉交互能力，触觉反馈对提高任务的沉浸感和用户体验至关重要。

• 研究动机与相关工作:

  • 混合现实触觉反馈需要在不妨碍用户灵活操作现实物品的同时，提供真实又精确的触感。
  • 作者设计了一种微型可折叠触觉设备，可在不使用时从用户指尖退出，将触觉反馈整合到更便捷的设备中。

解决方案

• 提出的方法或解决方案:

  • 一种用于混合现实的指甲式可折叠触觉驱动器，能够在用户接触虚拟对象时产生触觉反馈，并在用户处理真实物体时快速收回。

• 创新之处:

  1. 第一款提供指尖触觉反馈且能快速收回的可折叠装置。
  2. 设备结合压力和振动生成多种触觉效果，包括触感（压力）、高频纹理和低频纹理。
  3. 自含型设计（包括电池和电子元件），无线连接，通过蓝牙通信。
  4. 设备透明的3D打印外壳最大程度减少用户视线干扰。

• 实施步骤:

  1. 硬件设计:
     • 设备尺寸为24×24×41毫米，重9.5克，贴于指甲上。
     • 折叠机构基于齿轮齿条系统，推动触觉覆盖件展开并接触用户指尖。
     • 集成线性共振执行器（LRA）生成纹理振动反馈。
  2. 反馈生成:
     • 触感：设备通过驱动机械系统对指尖施压。
     • 低频纹理（<25Hz）：通过推动机构往复运动。
     • 高频纹理（150-190Hz）：激活LRA实现振动反馈。
  3. 软件支持:
     • 使用Unity3D与HoloLens 2进行手部追踪和虚拟交互。
     • 定义虚拟对象的触碰检测区域，设备根据交互实时展开/收回。

研究成果

• 具体成果:

  • 成功开发了一个完全自包容的触觉设备，该装置可以无缝切换现实物体与虚拟界面的触觉操作。
  • 设备能够呈现多种触觉效果，包括虚拟表面触感、纹理、按钮点击等。
  • 两项用户研究验证了其触觉真实感和操作便利性。

• 与现有解决方案的对比优势:

  • 与指甲振动器相比，设备显著提升了触觉真实感，尤其在硬表面、按钮和纹理反馈中。
  • 设备在实际任务中的使用对真实物品操作造成的障碍极少，提高了用户灵活性。

• 实验或评估结果:

  • 第一项用户研究：
    • 与指甲振动器相比，设备在5种虚拟物体（硬表面、软表面、按钮、低频纹理、高频纹理）的触觉反馈中，除软表面外均被评为更加真实。
    • 所有参与者一致偏好设备在纹理和硬表面反馈中的表现。
  • 第二项用户研究：
    • 参与者无需移除设备即可完成复杂的维修操作（如使用螺丝刀、检测刹车油）。
    • 绝大多数参与者认为设备没有显著影响真实物品的触觉感知。

• 局限性与未来方向:

  • 设备仍覆盖部分指甲，可能干扰指尖侧部触觉。
  • 对较软物体的触觉表现有限（力反馈较硬），需更高精度的力传感器和控制器。
  • 机械动作的92毫秒延迟需通过扩大虚拟碰撞区域加以补偿。
  • 未来方向包括集成更多触觉模块（如冷热传感器、电极），探索皮肤拉伸或力错觉等高效反馈机制。