通过限制指垫变形改变真实刚物体的感知柔软度

文献标题

使用限制指腹变形的方法改变刚性物体的柔软感知

文献信息

• 主题领域: 人机交互、触觉设备、虚拟现实
• 关键词: 触觉错觉、柔顺性、可穿戴触觉设备、触觉交互、虚拟现实、增强现实、柔软、刚性

研究背景与问题

• 发现的挑战:

  • 大多数可穿戴触觉设备通过覆盖指腹提供虚拟柔软体验，这限制了用户感知真实物体纹理的能力。
  • 当前方法需要对物体本身进行仪器化，更改其特性，以实现柔软感知的变化。
  • 研究如何无需仪器化物体即可改变刚性物体的柔软感知。

• 重要性:

  • 柔软或硬度感知是触觉交互中的一个关键维度，它能够影响用户对物体的识别和操作。
  • 实现无需改变物体特征本身而感知柔软性的变化，有助于增强虚拟现实（VR）和增强现实（AR）交互体验。

• 研究动机与相关工作:

  • 当前已有研究通过视觉或振动等方法模拟柔软感，但无法提供足够的触觉真实感。
  • 本研究希望探索一种通过限制指腹变形而引发柔软感知变化的创新方法，无需对物体（如按钮、VR道具）进行物理改造。

解决方案

• 方法和原理:

  • 设计了一种触觉设备，通过一个带框架的结构轻轻挤压指腹两侧，从而限制指腹的横向变形，使得触感范围变宽。
  • 这种限制会使指腹在触摸刚性表面时的接触面积与触摸软性表面的接触面积变得类似，从而诱导使用者感知到柔软感。

• 创新之处:

  • 与传统设备不同，该设备在制造柔软感的同时，仍然保留了指腹中央自由接触的能力，允许用户感知物体的真实纹理。
  • 无需改装物体本身即可实现柔软感知的改变。

• 实施步骤和关键技术:

  • 使用一个中空框架施加轻微侧压力，限制指腹的横向变形。
  • 设计了便携式设备，包括3D打印框架、小型电机、蓝牙模块和力传感器。
  • 导入了基于PID控制的感知调节，以确保设备的力反馈保持一致。
  • 验证设备效果的实验方法包括心理物理学研究和用户体验研究。

研究成果

• 具体成果:

  • 在心理物理学实验中，该设备能够将硬度在50A至90A范围内的刚性材料的感知柔软度降低到平均约40A（Shore A硬度标准）。
  • 在用户体验研究中，参与者普遍认为该设备能够增强交互式应用中的触觉真实感。

• 实验与评估:

  • 第一项实验验证了设备能在触摸刚性物体时增加触觉的柔软感，实验数据表明即使是较硬的物体，其柔软感也得到了显著提升。
  • 第二项实验中参与者与两个应用场景互动（VR购物、游戏控制器），大多数人更倾向于使用带有该设备的交互方式，认为其提供了更真实的触觉反馈。

• 与现有方法的比较:

  • 不需要改变物体本身，与仪器化或振动模拟方法相比，技术实现更简单却效果更显著。
  • 可用于日常物体和3D打印部件，具备很高的应用普适性。

• 局限性与未来方向:

  • 设备仅适用于尺寸小于指腹区域的物体或突起，不适合大范围表面操作。
  • 柔软感知的切换目前为简单的“开/关”模式，未来可以探索增加柔软度的调节幅度。
  • 在某些实际应用中，设备仍存在尺寸限制和电机震动等不足，但其设计可能激发未来研究进一步优化。