设计和实现一种新型触觉能理解的界面增加触觉体验

介绍

人机接口(HMIs)提供直观的图形和操纵能力,协助用户与机器(机器人或虚拟环境)交互。传统的HMIs,如操纵杆,键盘,智能手机,等等,已经被先进的接口,如虚拟现实(VR)和增强现实(AR)触觉装置,呈现令人信服的和自然的感觉。触觉设备发挥重要作用在沉浸用户遥操作和虚拟/增强环境提供了力/触觉信息。近年来,这些设备已经显著的关注和积极追求了许多全球研究小组。这些接口的有两面的特性保证安全/精确传感和操纵,与现有的单向接口是有限的视觉,振动或听觉反馈。此外,触觉接口引入到人机系统提升到更高维度的交互通过动觉、触觉刺激(输送物理特征<一个href="//www.thespel.com/home/articles/10.3389/#B5">伯特森et al ., 2018)。动觉刺激提供信息与应用力和运动肌肉和关节的受体。另一方面,触觉刺激提供一种当地通过皮肤的机械物理性质。动觉设备提供重要的特性,比如宽动态范围、高力量,和多自由度(自由度)(<一个href="//www.thespel.com/home/articles/10.3389/#B20">Pacchierotti et al ., 2017)。这些特性极大地支持渲染一个现实的联系。然而,庞大和昂贵性限制其使用各种应用程序。刺激皮肤触觉设备通过致动器和提供线索,如形状、滑移和纹理。大部分这些设备便携/耐磨和便宜。然而,提供令人信服的感觉(皮肤和动觉反馈)与这样的设备是不可能的。这限制了使用这样的设备在执行任务相关的操作、遥控手术等。<一个href="//www.thespel.com/home/articles/10.3389/#B16">Lim et al ., 2015)。许多实际应用需要准确的空间识别意识到当地的形状和纹理的有形,不得提供的现有的触觉反馈装置。此外,产生触觉信号是具有挑战性的,因为它需要小型化和高分辨率和高频率。一般来说,目前的反馈设备实现动觉、触觉反馈分别刺激。研究人员表明,动觉、触觉刺激本身并不能影响用户交互,每个交互的渲染(取决于其组合<一个href="//www.thespel.com/home/articles/10.3389/#B22">希灵戈认罪入狱,后者曾在2010年;<一个href="//www.thespel.com/home/articles/10.3389/#B8">范尼et al ., 2018)。因此,提供的协同组合这两个刺激使吸引力和现实的交互是必要的。

基于触觉接口分为接地设备(工具和骨架)和无根据的设备如外骨骼或可穿戴设备(<一个href="//www.thespel.com/home/articles/10.3389/#B20">Pacchierotti et al ., 2017)。中档触觉设备如幻影触摸™(3 d系统)和Omega.3™(维度)使用手写笔/单点交互工具代理(<一个href="//www.thespel.com/home/articles/10.3389/#B11">张成泽和李,2014年),从而减少整个自然感知而识别和操纵虚拟对象。single-contact点接口也很大程度上制约了用户获取所需的感觉。相比之下,多点接触接口提供了一个更高的触觉富达通过增加感知响应范围(<一个href="//www.thespel.com/home/articles/10.3389/#B10">Galiana费雷,2013)。因此,研究人员已经开发出通用触觉设备来提高感知、操作和掌握功率(<一个href="//www.thespel.com/home/articles/10.3389/#B3">Bergamasco et al ., 2007)。骨架设备提出了在文献中宏III (<一个href="//www.thespel.com/home/articles/10.3389/#B7">Endo et al ., 2009),来自于界面,提供了虚拟物体的尺寸和重量,和SPIDAR (<一个href="//www.thespel.com/home/articles/10.3389/#B17">Murayama et al ., 2004),用双手的设备生成6自由度的力反馈。然而,宏三世呈现空间有限和手势,SPIDAR力有限带宽。外骨骼设备帮助应用程序需要很大程度上的回旋余地。在(<一个href="//www.thespel.com/home/articles/10.3389/#B9">Frisoli et al ., 2007),提出了两点接触三自由度模型,再现了力量。服和手部™系统)和金刚狼(<一个href="//www.thespel.com/home/articles/10.3389/#B4">崔et al ., 2016)用于使用者应用程序,因为他们的低重量、低成本、和大运动范围。然而,大多数界面的用户体验是不直观和自然的设计复杂性,惯性约束和接口方法,驾驶性能,致动器(<一个href="//www.thespel.com/home/articles/10.3389/#B18">Najdovski et al ., 2014)。此外,缺乏触觉反馈这些接口限制了透明度。可穿戴的触觉接口通过pin-arrays提供皮肤的线索,振动和接触力。在(<一个href="//www.thespel.com/home/articles/10.3389/#B21">Schorr冈村,2017年;<一个href="//www.thespel.com/home/articles/10.3389/#B15">李et al ., 2019),研制了一种三自由度设备转达虚拟对象的横向和正常的力量。在(<一个href="//www.thespel.com/home/articles/10.3389/#B19">Ohka et al ., 2005),大压力中风提供不同销矩阵高度。然而,显示分辨率有限因为致动器的空间密度。一个vibrotactile显示器(<一个href="//www.thespel.com/home/articles/10.3389/#B1">浅野et al ., 2015)是用于不同粗糙度和质地。然而,触觉富达是被强烈的振动,当呈现纹理变化。在(<一个href="//www.thespel.com/home/articles/10.3389/#B24">惠特米尔et al ., 2018),一个触觉左轮手枪和可互换的轮子组成提出了纹理和形状。然而,呈现刚度和快速访问纹理仍然是一个挑战。大多数触觉设备不包括刚度、必不可少的触觉形态。一些先进的触觉设备可以产生的组合刚度与结构(<一个href="//www.thespel.com/home/articles/10.3389/#B2">Benko et al ., 2016)和刚度大小和形状(<一个href="//www.thespel.com/home/articles/10.3389/#B23">太阳et al ., 2018),但不能提供形状或纹理。

此外,工作区,渲染纹理的数量,和解决这些设备是有限的。尽管如此,这些接口可能无法提供忠实的触觉感受,因为缺少一个合适的触觉刺激和抓取动作的结合。在(<一个href="//www.thespel.com/home/articles/10.3389/#B14">莱德曼Klatzky, 1997),它是确定集成刚度与结构可以提供准确的感觉知觉线索,因为材料性能对结构性能的影响。因此,开发一个适应性强的能理解的界面呈现和动觉触觉反馈是必要的。

在本文中,我们目前的设计能理解的触觉接口,提供统一动觉、触觉反馈通过渲染刚度、质地、形状和形式三自由度。这里的目标是提高透明度,同时与多样化的互动环境。该设备包括知觉/把握能力通过多触点感觉,模块化的配置组成的可更换模块提供不同的感觉。设备还使用小说flexure-based backlash-compensated电力传输机制改善触觉忠诚。最重要的贡献之一是在模拟结构的反馈通过使用被动纹理由vibrotactile驱动器的安排。其他贡献与零反弹抓紧器的设计,低摩擦、低惯性,高带宽,和高驾驶性能。

设计和工作原理

触觉装置被设计为三自由度运动提供统一动觉、触觉反馈通过渲染刚度、质地、形状和形式。开发这种触觉抓紧器的目标是提高透明度,同时与多样化的互动环境。<一个href="//www.thespel.com/home/articles/10.3389/#F1">图1显示了原型装置及其子系统。它有两个主要的子系统:1)把握系统以及纹理渲染和2)三自由度运动机制。

掌握系统允许用户使用他们的手指与虚拟环境交互。这个系统包括一个抓紧器与纹理渲染模块。vibro-actuators放置在纹理的纹理模块提供感知不同的振动特性。抓紧器可以移动的三自由度(线性、旋转和把握运动)所提供的运动机构,驱动使用三个电机(直流Maxon汽车:RE-30)。每个马达控制使用Maxon史诗4 50/5可以控制器。这些模块的设计细节在以下部分解释。

抓紧器系统

掌握系统包括一对被动责任者,允许用户使用手指和探索虚拟/远程环境在三自由度,即把握运动(径向向内),线性运动(沿x设在)和旋转运动(有关x设在)所示<一个href="//www.thespel.com/home/articles/10.3389/#F2">图2。把握景深允许用户感觉硬度和形状信息,线性和旋转自由度呈现虚拟/远程环境的形状和结构信息。texture-loading周围的责任者可以移动胳膊和开放,允许用户的指尖接触结构表面。有两个半圆形的模块化段抓紧器机制的核心。这些模块化部分是固定的一个实验室的机制,如所示<一个href="//www.thespel.com/home/articles/10.3389/#F2">图2 b,只能横向移动,从而把握景深。这些部分可以用另一组可替换的部分不同的几何图形,可以包括边缘,形状和活性成分对应于虚拟环境。这两段的相对运动y设在。这些段分为多个部分,纹理和形状的各种特性通过texture-loading武器,附加到这些部分所示<一个href="//www.thespel.com/home/articles/10.3389/#F2">图2。

数组之间的vibro-actuators放置结构加载武器和模块化的片段,并配置为模拟多个纹理不同的振动特性。Texture-loading武器提供预加载,在与多个被动表面有细粗纹理。vibro-actuators和被动纹理的结合可以实现多种表面不同触觉属性。段和纹理可以交换代表虚拟/远程环境有不同的形状和结构属性。

三自由度运动机构

使用的机制中所示的三自由度运动<一个href="//www.thespel.com/home/articles/10.3389/#F2">图2,<一个href="//www.thespel.com/home/articles/10.3389/#F3">3。抓紧器的旋转运动是获得使用环形齿轮驱动电机M1。两个被动责任者相连的环形齿轮的轴承,使责任者径向移动,如图所示<一个href="//www.thespel.com/home/articles/10.3389/#F3">图3一。房地产的环形齿轮连接三个滚子轴承,提供旋转自由度的责任者。摩擦较小的直线导轨的环形齿轮住房和是由反对补偿齿轮传动,如图所示<一个href="//www.thespel.com/home/articles/10.3389/#F3">图3一。

各个模块部分附着在直线导轨(通过规定),沿着y设在并通过实验室是由电动机驱动的M2机制,如图所示<一个href="//www.thespel.com/home/articles/10.3389/#F3">图3 b。的抓紧器的线性运动x方向是通过反弹补偿齿条和齿轮机构由电动机M3,如图所示<一个href="//www.thespel.com/home/articles/10.3389/#F2">图2 b。这些机制的进一步细节在以下部分解释。

基于挠曲反弹补偿齿轮传动

齿轮传动的传动,与电缆传输相比,提供了高刚度但很容易反弹。消隙机制,通常用在文学,包括两个传动齿轮同轴安装到一个共同的轴将圆周反弹。其中一个齿轮是严格安装在驱动轴上,而另一种是通过一对连接弹簧和浮动。弹簧预紧,安装期间,浮动装置否定任何反弹由于弹簧的扭矩。以来的一个齿轮浮动,春天像一个连续的弹性元件,系统展示有限刚度的齿轮运动的方向。这可以通过锁来解决两个齿轮刚度的限制。我们建议flexure-based反弹补偿齿轮传动,如图所示<一个href="//www.thespel.com/home/articles/10.3389/#F4">图4一。提出的消隙机构使用一对弯曲的预加载齿轮安排。漂浮的齿轮有一对弯曲的挠曲端突出,洞另一个齿轮。缺口,大会期间,漂浮的齿轮必须旋转促进交配齿轮齿的接触。弯曲弯曲在装配和施加扭矩驱动齿轮。因此,浮动装置由于弯曲旋转扭矩和否定任何反弹在最初的组装。组装后,一对夹紧螺丝收紧夹两个齿轮,因此成为不可或缺的组成部分。因此,弯曲不携带任何驱动转矩在操作期间。因此,这样的安排提供了良好的刚度的旋转方向,而且没有影响传动刚度弹簧的问题。同时,曲是传动齿轮的一个组成部分,机械传动的复杂性大大简化。 The function of the flexure based spring is to facilitate automatic backlash compensation in the gear drive. The same concept has been utilized for driving the rack and pinion mechanism. It is to be noted that a small clearance between the gear teeth is provided in practice for smooth operation in the conventional gear transmission. But this clearance invariably leads to the backlash in the gear drive. In our implementation, there is clearance between the mating gear pairs. But this clearance is negated by the flexural spring. Additionally, there are no cogging or noise effects because choosing the involute profile for gear teeth strictly follows the gearing law, which ensures constant angular velocity for the output gear. Also, the minimum no. of teeth for the pinion gear of the motors is kept above 17 to prevent tooth interference.

有限元分析(FEA)曲已经完成评估弯曲应力,并显示了生成的结果<一个href="//www.thespel.com/home/articles/10.3389/#F4">图4 b。压力是在3 d印刷原型材料的容许极限——ABS(挠曲强度- 70.5 MPa)。

四杆机构

一个单独的电机控制设备的掌握刚度。实验室中曲柄滑块机构,如图所示<一个href="//www.thespel.com/home/articles/10.3389/#F5">图5一个,将旋转运动转换为横向把握运动。可互换的模块化部分可以使用条款所示插入到滑块<一个href="//www.thespel.com/home/articles/10.3389/#F5">图5。因此,责任者的刚度可以通过控制电动机的转矩改变。另外,形状可以呈现的位置控制部分。线性位移的变化之间的关系( $\mathrm{x<!--米i-->}$ 段)和旋转运动(