20、触觉交互领域的研究进展与应用探索

触觉交互领域的研究进展与应用探索

1. 阻尼JND的掩蔽效应研究

1.1 实验分析

进行了两个三因素重复测量方差分析（ANOVA），分别针对r × d × m和r × d × k，其中r为重复次数（1,2）。结果显示，惯性m（F(2, 14) = 5.37, p < .05, η²p = .43）和刚度k（F(2, 14) = 6.26, p < .05, η²p = .47）的主效应显著。而经Greenhouse - Geisser校正的d的主效应在两个ANOVA中均不显著（F(1.00, 7.00) = 1.79, p = .22和F(1.00, 7.00) = 1.44, p = .27），重复次数的效应同样不显著（F(1.00, 7.00) = 0.66, p = .45和F(1.00, 7.00) = 1.74, p = .23），且两个ANOVA中均未发现交互作用。

1.2 多项式趋势分析

多项式趋势分析表明，阻尼JND与惯性和刚度之间存在显著的线性趋势，而二次趋势不显著。对于惯性，线性趋势占主效应的85%（SSm = 1017.9, SSm,linear = 862.9, p < .05）；对于刚度，线性趋势占主效应的99%（SSk = 239.5, SSk,linear = 236.9.9, p < .05）。

1.3 研究结论

阻尼JND取决于环境的整体构成。当惯性或刚度在环境感知中占主导时，阻尼的辨别明显变得更困难。

1.4 应用影响

• 远程操作系统 ：以往对双通道远程操作系统中通信时间延迟和控制参数设置的预测可能过于保守，因为仅考虑了单个参数的感知极限，而感知极限和掩蔽效应可用于扩展四通道远程操作系统的分析方法。
• 机械设计 ：对于具有大惯性的机械，阻尼组件可允许一定的公差，应考虑所需触觉属性之间的相互作用。在触觉渲染算法中，对于刚性环境，可调整阻尼以确保稳定性且不被操作者察觉。

1.5 总结与展望

进行了两个心理物理实验来研究掩蔽对阻尼JND的影响，发现刚度和惯性的增加会使阻尼辨别能力下降。未来可通过对实验中记录的力和位置数据进行时间序列分析来理解JND变化的潜在机制，运动和力的组合（如功线索）可能有助于阻尼辨别。

2. 单自由度混合触觉接口的交互功率流控制

2.1 背景与动机

触觉接口使用电动马达（主动执行器）或制动器（被动执行器）产生可控交互力。电动马达能实现高保真触觉渲染，但不稳定时存在危险；基于被动制动器的触觉设备本质上稳定，但无法向操作者恢复能量。因此，将两者结合是提高性能和实现全局稳定的有前景的解决方案。

2.2 交互功率流控制方法

• 系统模型 ：单自由度旋转力反馈设备由具有惯性J和粘性摩擦b的质量、可控制动器、直流电机以及建模为阻抗Z0(s)的人类操作者组成。系统由微控制器根据采样周期T控制，离散/连续域转换由零阶保持函数（ZOH(s)）建模。
• 功率分析与控制律 ：通过分析功率来确定控制律。当功率为正（˙θ(s) [−Mm(s) −Mb(s)] ≥0）时，设备耗散能量，制动器启动；当功率为负时，设备产生能量，仅激活主动执行器。控制律如下：
  [
  \begin{bmatrix}
  M_m \
  M_b
  \end{bmatrix}
  =
  \begin{cases}
  ZOH(s)
  \begin{bmatrix}
  0 \
  M_z \text{sgn}(\dot{\theta})
  \end{bmatrix}
  & (-M_h^ ) \dot{\theta}^ \geq 0 \
  ZOH(s)
  \begin{bmatrix}
  M_z \
  0
  \end{bmatrix}
  & (-M_h^ ) \dot{\theta}^ < 0
  \end{cases}
  ]
  其中，(ZOH(s) = \frac{1 - e^{-sT}}{s})

2.3 扭矩测量控制方法

该方法使用定量扭矩测量来定义速度为零时系统的行为。当满足((-M_h^ ) \dot{\theta}^ \geq 0)且(M_z \geq M_h)时，制动器启动；否则，电机启动。控制律如下：
[
\begin{bmatrix}
M_m \
M_b
\end{bmatrix}
=
\begin{cases}
ZOH(s)
\begin{bmatrix}
0 \
M_z^ \text{sgn}(\dot{\theta})
\end{bmatrix}
& (-M_h^ ) \dot{\theta}^ \geq 0 \text{ 且 } M_z \geq M_h \
ZOH(s)
\begin{bmatrix}
M_z^ \
0
\end{bmatrix}
& \text{否则}
\end{cases}
]

2.4 扭矩检测控制方法

此方法用扭矩检测代替扭矩测量，告知控制器手柄处是否施加了扭矩。当((-M_h^ ) \dot{\theta}^ \geq 0)且(M_z \neq 0)时，制动器启动；否则，电机启动。控制律如下：
[
\begin{bmatrix}
M_m \
M_b
\end{bmatrix}
=
\begin{cases}
ZOH(s)
\begin{bmatrix}
0 \
M_h^ \text{sgn}(\dot{\theta})
\end{bmatrix}
& (-M_h^ ) \dot{\theta}^ \geq 0 \text{ 且 } M_z \neq 0 \
ZOH(s)
\begin{bmatrix}
M_h^ \
0
\end{bmatrix}
& \text{否则}
\end{cases}
]

2.5 实验结果

• 扭矩测量控制 ：在0 - 1.8s用户压缩弹簧，功率为正，由制动器进行渲染；1.8s用户开始释放手柄，1.9s时用户施加的扭矩小于应用扭矩，电机启动，模拟弹簧的减压阶段。
• 扭矩检测控制 ：用户在t = 2.8s前按压弹簧，之后逐渐释放，直到t = 4.0s扭矩为零时，制动器关闭，电机启动，手柄自由转动到初始位置。

2.6 方法优势与未来工作

交互功率流控制能确定混合设备执行器之间的最佳分配，结合扭矩测量可精确确定系统行为，结合扭矩检测虽会引入固有延迟但对某些应用可接受。未来可基于单向磁流变制动器开发新的混合执行器方法。

mermaid图如下：

graph LR
    A[单自由度混合触觉接口] --> B[交互功率流控制]
    B --> C[扭矩测量控制]
    B --> D[扭矩检测控制]
    C --> E[实验结果1]
    D --> F[实验结果2]

表格总结不同控制方法特点：
| 控制方法 | 优点 | 缺点 |
| ---- | ---- | ---- |
| 交互功率流控制 | 确定执行器最佳分配，系统控制与应用无关 | - |
| 扭矩测量控制 | 精确确定系统行为 | 增加系统复杂性 |
| 扭矩检测控制 | 适用于部分对延迟不敏感应用 | 引入固有延迟 |

3. 通过触觉交互引导游客：隆德时间机器中的振动反馈

3.1 背景与动机

在移动场景中，查看屏幕并非总是可行的。提供基于音频和触觉模式的交互方式，能让行人在需要视觉关注周围环境时继续进行交互，同时也为视障人士提供了更具可访问性的解决方案。隆德时间机器应用程序旨在为游客提供沿历史步道的兴趣点信息，并引导用户沿着步道前行。

3.2 振动反馈设计

• 导航方式 ：为了导航到下一个目标，用户进行扫描，手机会在正确的方向上振动。
• 距离编码 ：通过使振动脉冲在接近目标时更加频繁，将距离编码嵌入到方向反馈中。

3.3 设计评估

• 受控研究 ：首先在受控研究中对设计进行评估。
• 实际场景验证 ：然后在实际使用环境中进行评估，验证了该设计的可用性和非干扰性。

3.4 应用优势

• 多模态交互 ：结合音频和触觉模式，在视觉通道不可用时仍能提供交互。
• 用户体验 ：为游客提供了一种新颖、便捷且不干扰的导航方式。

表格展示不同交互方式对比：
| 交互方式 | 优点 | 缺点 |
| ---- | ---- | ---- |
| 视觉交互 | 信息直观 | 移动场景中不可用 |
| 音频交互 | 不依赖视觉 | 环境嘈杂时受影响 |
| 触觉交互（振动反馈） | 不依赖视觉，可编码距离信息 | 信息表达有限 |

mermaid图展示设计评估流程：

graph LR
    A[振动反馈设计] --> B[受控研究评估]
    B --> C[实际场景验证]
    C --> D[确认可用性和非干扰性]

4. 总结与综合展望

4.1 研究成果总结

• 阻尼JND研究 ：明确了阻尼JND受环境整体构成影响，特别是惯性和刚度的掩蔽效应，为远程操作系统和机械设计提供了新的思路。
• 单自由度混合触觉接口控制 ：交互功率流控制结合扭矩测量或检测方法，实现了混合执行器的有效控制，提高了触觉接口的性能和稳定性。
• 触觉导航应用 ：隆德时间机器中的振动反馈设计为游客导航提供了一种多模态、可用且非干扰的解决方案。

4.2 未来研究方向

• 基础机制研究 ：深入研究阻尼JND变化的潜在机制，通过对力和位置数据的时间序列分析，以及探索运动和力的组合对阻尼辨别影响。
• 技术创新 ：基于单向磁流变制动器开发新的混合执行器方法，进一步优化触觉接口的性能。
• 应用拓展 ：将触觉交互技术应用到更多领域，如虚拟现实、智能穿戴设备等，提升用户的交互体验。

列表总结未来研究方向：
1. 深入研究阻尼JND变化的潜在机制。
2. 开发基于单向磁流变制动器的新混合执行器方法。
3. 将触觉交互技术拓展到更多应用领域。

总体而言，触觉交互领域在理论研究和实际应用方面都取得了显著进展，但仍有许多问题有待进一步探索和解决。未来的研究将不断推动该领域的发展，为人们带来更加丰富和优质的交互体验。