基本介紹
- 中文名：觸覺設備
- 外文名：Haptic device
- 定義：刺激人的力觸覺的人機接口裝置
- 套用學科：計算機技術
- 分類：觸覺再現設備和力覺再現設備
- 套用領域：醫療和軍事
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力觸覺設備的分類
力觸覺設備可以分為觸覺再現設備(tactile device)和反饋運動知覺力的力覺再現設備(kinesthetic device)。
觸覺再現設備
觸覺再現設備一般用於再現觸摸覺紋理信息，且通常裝配在力覺再現設備上聯合使用。雖然人機互動接口可以使用人體的許多部位來完成人機互動作用，但是以基於手的力觸覺設備較為發展成熟和使用廣泛。
觸覺再現設備一般通過採用各種方法來刺激皮膚的觸覺感受器，如空氣風箱或噴嘴、電激勵產生的振動、微型針陣列、直流電脈衝和功能性的神經肌肉刺激等。
力覺再現設備
力覺再現設備要求能夠提供真實的作用力來阻止用戶的運動，這就要求使用較大的激勵器和結構，使得這類設備比較複雜和昂貴。根據使用時安裝位置不同，力覺設備又可以區分為地面、桌面固定式的和基於身體式的。前者包括各種力反饋操縱桿和桌面式設備，後者一般指裝配在操作者四肢或者手指上的設備。
根據內在的機械行為特徵，力覺再現設備可以分為阻抗型和導納型。阻抗型的設備用於再現阻抗特性，它根據輸入的位移域速度床計算輸出力;導納型的設備則相反，它通過根據輸入作用力的大小來輸出位移域速度)量。由於阻抗型設備相對設計簡單製造便宜，大部分的力覺再現設備都屬於這一類型。而導納型的設備往往套用於需要較大工作空間和較大作用力的場合。
從採用何種器件(電機或制動器)來獲得力觸覺再現效果，力覺再現設備可以區分為有源的(能產生能量)或者無源的(不能產生能量)。有源的設備往往採用電機作為致動器，它能夠以相對較快的回響速度獲得任意方向的力/力矩。但是它的這種有源性，有時候會引起系統的不穩定，嚴重損害力觸覺再現的效。採用制動器等無源器件的設備永遠都是穩定的，因為它只消耗能量。雖然這類設備能夠產生較大的力/力矩，但是該力/力矩的方向卻被限定外力/力矩作用的反方向，它不能產生任意方向的力/力矩。此外，制動器的回響速度較慢也進一步限制了力觸覺再現的性能。
力觸覺再現設備的套用
醫學治療領域
隨著計算機技術和網際網路的日益發展，藉助力/觸覺再現設備的力/觸覺再現虛擬現實在醫學上的套用變得越來越廣泛。醫生需要通過不斷練習訓練來提高自身的診斷和操作技能，而通常作為訓練對象的解剖模型、動物、屍體、志願者或者病人存在著眾多缺點:解剖模型過於簡單，既不能真實再現病人的反應，也不便於充分記錄醫生的表現;動物與人類的解剖結構存在差別，而且使用它們進行訓練存在爭議(動物保護者的反對);屍體所能提供的生理學特徵不夠準確;利用志願者或病人進行手術練習存在著潛在的風險(操作失誤會造成傷害甚至死亡)。作為醫學教育和治療的輔助工具，面向醫療診斷(前列腺觸診、內窺鏡檢查)、外科手術(靜脈注射、微創手術和開放性手術)和康復訓練等的仿真系統正受到越來越多的重視。
軍事套用領域
目前軍用設備的發展趨勢表現為技術複雜度不斷增加且使用年限不斷縮短，帶力/觸覺再現的虛擬現實仿真系統除了能夠方便訓練外還具有很好的升級靈活性，可以很好地滿足軍事方針訓練要求。
力觸覺再現設備的未來發展趨勢
對於觸覺再現設備，為了能逼真地再現物體紋理等材料特性，提高再現精度、設備微型化等將是未來研究的重要方向。
一般來講，一個理想的力設備應當具備的特點為：
1、具有較小的後向慣量和摩擦力，自由運動時所受約束小;
2、較大的再現作用力/力矩幅度和較大的操作空間，足夠多的自由度;
3、對稱的慣量、摩擦力、剛度和共振頻率等特性;
4、較高的(位置檢測與力生成)精度、解析度和頻響;
5、較好的人體工學設計等特點。
因而，從減小設備慣量和摩擦力、提高位移檢測和作用力輸出精度、提升設備的動態回響性能、降低成本等各個方面入手，設計出高性能的力覺再現設備是較為重要的研究方向。
目前，大部分的力/觸覺設備使用操作者手部來進行互動的，其所再現的力/觸覺感知範圍還有限。在未來的時間，研究能夠對操作者身體各部位都提供力/觸覺再現的設備或裝置，無疑能進一步增強力觸覺再現感知和虛擬現實技術的套用。
