基于触觉传感器的人机交互技术

1、基于触觉传感器的人机交互技术摘要：触觉是自然界多数生物从外界环境获取信息的重要形式之一，触觉传感器是用于机器人中模仿触觉功能的传感器，本文简要介绍了触觉传感器的分类以及交互设计的发展，以及并且详细介绍了触觉传感器在人机交互中的发展现状、优势及此项技术在各行各业的广泛应用，触觉交互可以增进人机交互的自然性,使普通用户能按其熟悉的感觉技能进行人机通讯,对计算机的发展起到不可估量的作用。关键字：触觉传感器 人机交互技术 现状 优势 应用一、触觉与触觉传感器 触觉是自然界多数生物从外界环境获取信息的重要形式之一，广义的触觉是指接触、压迫、滑动、温度、湿度等的综合，而狭义的触觉则单指接触面上的力觉，其严

2、谨的概念包括接触觉、压觉和滑觉。触觉对于虚拟现实技术中临场感程度和交互性具有十分重要的现实意义。触觉传感器是用于机器人中模仿触觉功能的传感器。其研究始于上世纪七十年代，在四十多年的发展历程中，国内外的科研人员在传感器工作机理的研究、敏感材料的开发、传感器的结构设计、触觉图像的处理等多方面都做了大量的工作，并取得了巨大的成就。触觉传感器按功能可分为接触觉传感器、力力矩觉传感器、压觉传感器和滑觉传感器等。（1）接触觉传感器，一般用以判断机器人（主要指四肢）是否接触到外界物体或测量被接触物体的特征的传感器。接触觉传感器有微动开关、导电橡胶、含碳海绵、碳素纤维、气动复位式装置等类型。（2）力力矩觉传感

3、器，一般用于测量机器人自身或与外界相互作用而产生的力或力矩的传感器。它通常装在机器人各关节处。（3）压觉传感器，一般用来测量接触外界物体时所受压力和压力分布的传感器。它有助于机器人对接触对象的几何形状和硬度的识别。压觉传感器的敏感元件可由各类压敏材料制成，常用的有压敏导电橡胶、由碳纤维烧结而成的丝状碳素纤维片和绳状导电橡胶的排列面等。再从另一方面来看，按照触觉感知的特点，可以把触觉分为滑动触觉和柔性触觉2种：（1）滑动触觉：平行于手指接触面的感知，主要反映物体表面的几何形状、纹理、温度等；（2）柔性触觉：垂直于手指接触面方向的动态感知，主要反映物体的柔性或刚度。二、交互设计和人机界面随着网络和

4、新技术的发展，各种新产品和交互方式越来越多，人们也越来越重视对交互的体验。1984 年，IDEO公司创始人之一比尔·莫格里奇（Bill Moggridge）首次了提出关注交互体验的新学科的概念，并命名为“软面（Soft Face）”，后来又把它更名为“Interaction Design”即交互设计，简称ID。具体地说，交互设计就是关于创建新的用户体验的问题，其目的是增强和扩充人们工作、通信及交互的方式。对用户来说，交互设计就是一种让产品更易用，更有效而让人愉悦的技术，它致力于了解目标用户和他们的期望，了解用户在同产品交互时彼此的行为，了解“人”本身的心理和行为特点，同时，还包括了解

5、各种有效的交互方式，并对它们进行增强和扩充。交互设计还涉及到心理学、计算机、信息、电子技术、工业设计等多个学科，需要和不同领域不同背景的人员进行沟通。通过对产品的界面和行为进行交互设计，让产品和它的使用者之间建立一种有机关系，从而可以有效达到使用者的目标2。人们在界面设计方面已经有了一定的关注，然而，交互设计更加注重产品和使用者行为上的交互以及交互的过程，交互行为是界面约束的源头，当产品的交互行为清清楚楚地定义出来时，对界面的要求也就更加清楚。因此，交互设计的研究目标之一是开发宜人性的人机界面。三、触觉交互的发展现状 目前，人机交互的发展已经呈现百花齐放的局面，比如有主要以语音识别为基础的语音

6、人机交互；有对手和身体的运动进行跟踪，依靠姿势完成的自然人机交互；有主要利用电磁、超声波等方法，通过对头部运动进行定位交互的技术；还有对眼睛运动过程进行定位的交互方式。不过中科院软件研究所人机交互技术与智能信息处理实验室首席科学家戴国忠认为，在人机交互领域尽管已经开始有了一些通过语音、姿势、头部跟踪、视觉跟踪等人机交互的成果，但这些成果离大规模的应用应该还有很长一段距离。“至少需要突破几方面的障碍：首先是识别率的的问题，以语音人机交互来讲，我国方言较多，普通话说的准确度不一等都阻碍了人机之间的准确沟通；其次，无论是语音还是视觉跟踪等技术对环境的要求都比较高，不同的光照环境可能会传递出不一样的命

7、令信息，或者机器能够捕获的信息会受光照、噪音等环境影响而不同；再者，如果依靠姿势来进行人机交互，有些信息很难用形体语言来表示，事实上，生活中人们之间交流需要传递的信息量是非常大的，最重要的是缺少用户体验好的用户界面。”戴国忠表示，这些技术要达到完全自然的人机交流还有很长一段距离。“目前值得肯定的人机交互技术依然是手写和触摸。”戴国忠认为，这两种技术发展到现阶段，识别率等技术标准都基本达到了要求，应用趋于成熟，实现了人机完全的自然交流。随着手写和触摸技术的出现和成熟，国内许多受到拼音输入法限制而不能收发信息、不能完全使用手机功能的人由此大大受益。我们不得不承认，就苹果 iPad 为代表的触控电脑

8、而言，以强大全面的功能为基础、友好的UI 界面作为人机交互的窗口、稳定简便的系统保证快速准确完成用户的需求，已经将用户的体验提升到了一个空前的高度。 “对于人机交互技术的检验和其他的学科有所差别，其他的学科可能通过计算机分析、模型等来验证，人机交互技术强调的是人的自然感受。”戴国忠说，现在有一些人机交互技术被过于夸大，听起来似乎很好，但人们用起来却不是那么方便，这是因为交互界面还做得不到位，用户体验不好。四、触觉人机交互的优势多年来,在人机交互领域的研究中人们主要关注视觉和听觉,而忽略了其他感觉形态。随着计算机性能的大幅提升,计算机交互途径的局限已越来越突出,其他感觉形态的研究和应用也变得越来

9、越重要。当嗅觉装置的原型还在MIT的实验室建造的时候,触觉交互已经作为一种新兴的人机交互手段崭露头角1。通过触觉界面,用户不仅能看到屏幕上的物体,还能触摸和操控它们,产生更真实的沉浸感。触觉在交互过程中有着不可替代的作用2。触觉交互已成为人机交互领域的最新技术,对人们的信息交流和沟通方式将产生深远的影响3 触觉交互可以增进人机交互的自然性,使普通用户能按其熟悉的感觉技能进行人机通讯,对计算机的发展起到不可估量的作用4。IBM阿尔马登(西班牙)研究中心的Campbell等1999年的研究报告中指出,触觉反馈在与视觉信息一致的情况下,对提升用户操控水平和降低错误率有帮助5。适当的触觉反馈在图形界面

10、环境下有利于鼠标的定位。Oakley等的研究指出,对于单一目标,鼠标定位的错误率会降低。对于多目标的情况,选择恰当的触觉反馈策略,触觉反馈能降低鼠标定位的错误率,提升鼠标定位的速度6。俄勒冈州州立大学的Gardner等设计了一种基于网页的触觉显示的远程教育系统。该系统使用Immersion公司的力反馈鼠标。通过实验,证实了触觉反馈在理解动态系统的行为时是一个有用的工具,是一种可以用来呈现非文字的内容给盲人用户的潜在的可行模式7。Bussell等的研究证明,在基于因特网的远程学习中,使用触觉反馈可以显著增强学习效果8。剑桥大学工程系的Keates等的研究证明力反馈对于增强运动能力受损人士的交互能

11、力有明显效果。在连点的实验中,使用力反馈的交互模式,时间比不使用时降低3050%。但同时指出力反馈只有对现有的输入成补充时,才会有效,否则可能会适得其反9。意大利帕尔马大学的Aleotti等2002年报告设计了一种多模式用户界面,可以用于探测未知环境的远程控制。这种界面能把在远程收集的触觉数据和几何信息有效结合,把触觉反馈集成到VR手套传递给用户。通过实验证实了,这些特征可以帮助用户提高封闭环境和直接的视觉反馈丧失情况下的探测能力10五、 触觉交互的应用 1、触觉交互最引人注目的专业应用领域是CAD(计算机辅助设计)。汽车和航天制造业通常耗费大量的金钱和时间制造各种物理模型,来评测产品的造型、

12、人因学性能和部件的易装配性。这些功能很大程度上倚赖于触觉,所以集成了触觉功能的CAD能减少部分物理模型的需求,提高生产效率,降低设计成本。Boston Dynamics(BDI)公司正在商品化有触界面的外科手术仿真系统,可以用来做膝关节内窥镜检查、吻合术和处理肢体外伤等。这套系统包括两个PHANToM触觉界面、一台运行仿真程序的微机和用来显示图像的图形工作站,总费用约为$175 000。实习生使用该系统进行仿真的手术时,能体验到切割和缝合组织的真实感觉。国内也有一些科研人员将触觉交互应用于医学领域。浙江大学生物医学工程研究所的张力峰等成功地将触觉交互引入虚拟心脏的医学前沿领域的研究。通过触觉交

13、互,虚拟心脏从形态、结构和功能等方面更加逼真地再现人体心脏的活动过程。利用虚拟现实和触觉交互技术,医生在虚拟心脏上的手术过程可以通过计算机网络传输给异地的机器人或医生,进行遥控外科手术和显微外科手术11。 2、制造业也逐渐意识到,触觉反馈是视觉的一个重要的补充。北京航空航天大学计算机科学与工程系的吴威、隋爱娜的研究结果表明,虚拟装配中使用触觉反馈技术可以使零件的设计质量、装配速度得到显著提高；北京大学计算机科学系图形研究室的董士海等研究人员正在将触觉交互技术应用到下一代计算机操作系统的开发中。通过触觉交互技术,户可以采用日常生活中最直接,最习惯的方式来操作计算机里的物体，触手即得12。 3、触

14、觉交互技术在建筑行业也有成功的应用。在土木工程负责高危环境下使用的机器人,引入触觉交互技术以后,操纵者可以获知工作地机器人与环境的相互作用,得到一种在现场直接操作的感觉,以做出进一步的决策及控制13。 4、为残疾人设计的自适应的设备是力反馈系统的又一用途。Haptic Technologies Inc.的蒙特利尔加拿大)分公司开发了一种触觉鼠标可以把Windows界面的图标和按钮转换为触觉信息传递给盲人。另外Virtual Technologies公司的Cyber-Glove计算机触觉手套改装后可以将输入到键区的字以触觉信号的形式呈现给佩带这种手套的又聋又盲的人。 5、近年来,触觉设备已进入主

15、流消费品市场,其中应用最广泛的是Immersion公司的-i force与微软公司的Sidewinder FF产品。随着技术的进步,市场上出现了新一代的力反馈感应技术,主要有-i Touch触觉感应技术和G-Force G-Tilte动作感应技术两种。-i Touch触觉感应技术主要用在鼠标或轨迹球等产品中。而动作感应技术(G-Tilt)则主要用在动感游戏控制器中。运用该技术的游戏控制器能感受到用户任何细微的动作和方向,将使用者身体的动作转换成游戏所能识别的信号指令,并在游戏中产生相应的动作,使用户可以用更加自然和直觉的方式来控制游戏的进行14。参考文献：1 Hodges M E.It Jus

16、t Feels RightJ.Computer GraphicsWorld, 1998, 21(5):1-5.2吴威,隋爱娜.具有位置力混合控制的虚拟装配模型J,北京航空航天大学学报,2001,1(4):1-2.3 Salisbury K.Haptics: The Technology of TouchN.HPCwire Special, 1995-11-10 (2).4王坚,董士海,戴国忠.基于自然交互方式的多通道用户界面模型J.计算机学报,1996,19(增刊1):130-134.5 Campbell C S,MayKW,Maglio P P.WhatYou FeelMustbe What

17、You SeeCProc of Interact1999.Edinburgh:IOS Press,1999:383-390.6 Oakley I,Brewster S A,Gray P D.Solving Multi-targetHaptic Problems inMenu InteractionCExtended Ab-stracts of ACM CHI 2001 (Seattle, WA). Seattle:ACMPress,2001:357-358.7 Gardner J A,Sile O M,Hasser C J,et al.Web-basedTouch Display for Ac

18、cessible Science EducationJ.Hap-tic Human-Computer Interaction, 2001,41(2): 52-60.8 Bussell LA,谢康宁,王京.在基于英特网的学习中使用触觉接口J,第四军医大学学报,2002,1(1):2-4.9 Keates S N, Langdon J N, Clarkson P J, et al.Investigat-ing the Use of Force Feedback for Motion-impaired UsersR. Florence Italy: ERCIMWorkshop, 2000.10Aleotti J,Bottazzi S,Caselli S,et al. Multimodal User In-terface for Remote Object Exploration inTeleoperation Sys-tems R. Frascati, Italy: IARP International WorkshoponHuman Robot InterfacesTechnologies and Applications,2002.11 Bell S