24、新型触觉执行器与可压缩性触觉界面研究

深海孤鲸134

于 2025-10-29 09:21:16 发布

阅读量13

点赞数

CC 4.0 BY-SA版权

分类专栏：触觉科技的现在与未来文章标签：磁流变液运动觉执行器非晶触觉界面

本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/grafana6viz/article/details/154218829

触觉科技的现在与未来专栏收录该内容

27 篇文章 ¥499.90

订阅专栏¥69.90

会员秒杀 ¥9.9 重磅福利

超级会员免费看

新型触觉执行器与可压缩性触觉界面研究

1. 新型微型运动觉执行器

在如今的科技发展中，为了给用户传达更真实生动的触觉感受，运动觉和触觉信息的呈现显得尤为重要。目前，虽然微型触觉执行器已经得到了广泛研究，但对于运动觉设备的研究却相对较少。以往提出的大多数运动觉设备采用商用交直流电机来产生各种运动觉感受，然而，这些设备存在一些明显的局限性。

由于采用基于交直流电机的驱动机制，设备的尺寸和功耗都有所增加，这使得它们很难集成到小型电子产品中。此外，主动控制的电机容易出现不稳定问题，这对于某些应用来说是一个重大障碍。

为了克服这些传统执行器的局限性，研究人员提出了一种基于磁流变液（MR 流体）的新型微型运动觉执行器。磁流变液是一种可控流体，它不仅能让执行器创造各种运动觉感受，还能避免稳定性问题。基于 MR 流体的系统被称为半主动系统，在这种系统中，流体通过施加的磁场强度“被动地”变硬或变软。与主动系统相比，半主动系统的功耗显著降低，但其性能却与主动系统相当。

1.1 运动觉执行器的设计

该微型运动觉执行器的结构设计十分巧妙。其外壳和磁轭包含了螺线管线圈、柱塞、弹性弹簧和 MR 流体。螺线管线圈安装在外壳底部，环绕着磁轭，而柱塞位于螺线管线圈内部。外壳盖安装在外壳顶部，接触板固定在柱塞的孔中。由于外壳、磁轭、柱塞和外壳盖均采用铁磁材料制成，这些部件能够引导螺线管线圈产生的磁场，形成一个闭合的磁路。外壳中装有 MR 流体，流体在磁轭和柱塞之间的间隙中流动。

为了实现执行器的小型化，设计着重于通过集成 MR 流体的工作模式，在小尺寸下最大化 MR 流体产生的阻力。并且，该执行器还将进一步小型化，以便能够集成到便携式设备中。运动觉执行器阵列可以位于柔性显示单元下方。

以下是其结构的关键组成部分列表：
| 组成部分 | 功能 |
| ---- | ---- |
| 螺线管线圈 | 产生磁场 |
| 柱塞 | 在磁场作用下运动 |
| 弹性弹簧 | 提供弹性恢复力 |
| MR 流体 | 根据磁场变化改变粘性，产生阻力 |
| 外壳和磁轭 | 引导磁场，形成闭合磁路 |
| 接触板 | 与外界接触，传递力感 |

1.2 运动觉执行器的实验评估

为了评估所开发的运动觉执行器的性能，研究人员搭建了一个实验装置，使用动态力学分析仪进行测试。将运动觉执行器固定在支架上，带有精密负载传感器的振动器通过按压和释放执行器的接触板沿垂直方向移动。通过改变输入到执行器的电流，测量施加的负载和执行器的按压深度。

实验结果表明，在按压速度为 1mm/s 时，按压深度为 1.5mm 时的最大阻力约为 12N，按压深度为 1mm 时的最大阻力约为 5.1N。为了从触觉角度进一步分析结果，定义了测量力率（Qv），即给定按压深度下最大和最小阻力之差（Pv）与最大力（Lv）的比值。测量力率（Qv）范围为 72%至 85%。一般来说，人类能够可靠区分的力率差异阈值（或 JND）在 0.5 - 200N 的力范围内约为 7 - 10%。因此，即使最小力率为 72%，该运动觉执行器也能向用户传达各种运动觉感受。

以下是实验评估的流程 mermaid 流程图：

graph LR
    A[搭建实验装置] --> B[固定运动觉执行器]
    B --> C[设置振动器参数]
    C --> D[改变输入电流]
    D --> E[测量施加负载和按压深度]
    E --> F[计算测量力率]
    F --> G[分析实验结果]

2. 基于非晶触觉界面的可压缩性和可压碎性再现

在日常生活中，触觉交互通常表现为挤压物体以检查其内部状态和结构，或者引发某种机械结果。然而，目前大多数触觉界面通过硬表面与用户接触，只有少数例外，如缝在衣服里的振动器或空气能量传输设备。

研究人员提出了一种基于宽带电磁阀和一对装有磁流变液的腔室的新型触觉界面，旨在以牺牲形状为代价，高保真地再现通过按压和挤压动作体验到的复杂材料的特性。

2.1 概念

该触觉界面由两个可变形腔室组成，腔室由不可伸展的薄片制成，最好是取向聚合物，如双轴取向聚丙烯（BOPP），常用于食品包装。两个腔室通过导管连接，并填充有磁流变液。导管局部收缩成一个通道，穿过电磁铁磁路的极片之间，形成一个宽带阀，能够在与触觉和触感交互相关的整个频率范围内调节流量。

系统还包括一个差压传感器，用于实现闭环触觉模拟，即根据电磁铁输入调节腔室的机械响应（可压缩性）。该系统是“被动的”，不能“创造”机械能，只能线性或非线性地恢复所提供的能量。它可以再现日常物体的可压缩性行为，但由于无法再现形状，因此被称为“非晶”的，物体的形状由用户的握持方式决定。电磁执行器在高达 1kHz 的驱动信号频率下能快速响应，有效覆盖了触觉敏感的机械刺激的整个频率范围。该设备由音频带宽电压放大器驱动，由于执行器可以用高功率（高达几十瓦）驱动，且热量可由 MR 流体轻松散发，因此可实现可压缩性的大幅度变化。

2.2 演示

这种非晶界面可以再现粘性、纹理和流动效果，这些都是触觉渲染中典型的效果。该设备可以独立使用，集成到产品界面（如软按钮、滑块或开关）中，或者集成到力反馈设备的可抓握操作部件中。

其交互方式多样，例如，当用户压缩一个腔室时，MR 流体通过阀门流向另一个腔室。电路中产生的电压控制磁场会改变液体的粘度，从而导致压力变化。激励中的高频成分会使整个系统中的压力迅速变化，因为压力波在液体中的传播速度非常快，用户的手可以感受到振动，这些振动可用于刺激不同的纹理和材料行为。由于在粘性不可压缩流体介质中没有传输模式，响应具有很高的保真度。

此外，还有其他一些可能的配置：
- 一个腔室采用弹性材料而不是不可伸展的塑料片，这样弹性袋会提供一个持续的返回力，使液体回到握持处（非伸展腔室），用户在压缩和释放袋子时都能感受到刺激。
- 用户可以用一只手垂直握住界面，让流体通过重力从上部腔室流到下部腔室，在此过程中消耗的势能足以引发强烈的感官体验。
- 采用一个大而有弹性的腔室和一个小而硬的腔室相互接触的配置，当用手或手指挤压时，由于静水压力定律，流体从较小的袋子流向较大的袋子。
- 还可以通过推压硬表面（如脚下）或连接两个挤压伙伴来进行交互，后者可能会由于一种奇特的双边感觉运动耦合而产生不寻常的游戏和交互模式。

以下是不同交互模式的列表：
| 交互模式 | 描述 |
| ---- | ---- |
| 单手挤压腔室 | 使 MR 流体流动，感受压力和振动变化 |
| 垂直握持靠重力流动 | 利用势能引发感官体验 |
| 大小腔室组合挤压 | 基于静水压力定律使流体流动 |
| 推压硬表面或连接伙伴 | 产生特殊的交互效果 |

2.3 渲染和评估

该非晶流体基设备能够以约 1kHz 的速率显示可压缩性变化。研究人员探索了其在模拟虚拟准非晶物体（如弹性袋中的粘性流体或颗粒介质）方面的应用。通过改变流体通过阀门的流速 f 来实现这些效果，从而改变可压缩性 C = dV/dp，其中 dV 是体积的微分增量，dp 是差压的增量。

通过选择执行器驱动信号的直流分量来改变平均流速，对应于改变腔室中流体的表观粘度；而执行器驱动信号的瞬态分量的变化会导致与纹理效果相关的可压缩性的瞬态变化。

研究人员进行了初步评估，以了解用户对这些新型刺激的描述。在第一个实验中，向用户展示了十二种不同的瞬态信号纹理和粘性可压缩性组合，并要求他们用几个词描述感受。四名参与者均来自研究团队所在的机构。刺激由执行器电压信号 s(t) = A1p(λ, t) + A2n(fc, t) + A3s0 合成，其中 A1、A2、A3 是振幅，s0 是直流驱动信号电压，p(λ, t) 是参数为 λ 的泊松（脉冲）噪声，n(fc, t) 是截止频率为 fc 的低通滤波白噪声。泊松噪声源提供“颗粒状”纹理成分，低通噪声源提供“摩擦”粗糙度，直流分量调节平均（整体）可压缩性，产生类似粘性的效果。

参与者按压其中一个流体填充的膜直到排空，并以一到两句话报告他们的感受。响应结果多样，最常见的标签是“振动”和“粘性”，这可能表明纹理和粘性配置被明显感知到。其他常见的响应还涉及材料特性/相互作用，包括“摩擦噪声”、“气泡”、“颗粒状”和“弹性”。

在第二个实验中，使用相同的十二种刺激，选择了六个常见的标签（“纹理”、“振动”、“摩擦/滑动”、“刚度/弹性”、“颗粒状”、“粘性”），并要求十二名参与者选择一到两个最能描述每个刺激的标签。结果显示，不同标签的响应率有显著差异，最常见的选择是“粘性”（占响应的 64%）、“颗粒状”（58%）和“振动”（56%），“纹理”（23%）被选择的最少。

这些结果为该设备能够实现的最突出效果以及可能引发的潜在关联提供了一些线索，但还需要更系统的研究来探索该设备的潜在现象学，以及特定虚拟材料属性的感知背后的心理物理学原理。

以下是两次实验的对比表格：
| 实验 | 参与者数量 | 实验内容 | 常见响应标签 |
| ---- | ---- | ---- | ---- |
| 第一次实验 | 4 名 | 展示十二种组合，用几个词描述感受 | 振动、粘性、摩擦噪声、气泡、颗粒状、弹性 |
| 第二次实验 | 12 名 | 选择一到两个最能描述刺激的标签 | 粘性（64%）、颗粒状（58%）、振动（56%）、纹理（23%） |

总的来说，新型微型运动觉执行器和基于非晶触觉界面的研究为触觉技术的发展带来了新的思路和方向，有望在未来的虚拟现实、游戏、康复等领域得到广泛应用。

新型触觉执行器与可压缩性触觉界面研究

3. 两种技术的对比与综合分析

为了更清晰地了解新型微型运动觉执行器和基于非晶触觉界面这两种技术的特点和优势，下面对它们进行详细的对比与综合分析。

3.1 技术特点对比

技术类型	主要组成部分	工作原理	优势	局限性
新型微型运动觉执行器	螺线管线圈、柱塞、弹性弹簧、MR 流体、外壳和磁轭、接触板	螺线管线圈产生磁场，引导磁路，MR 流体在磁场作用下改变粘性产生阻力	尺寸小，可集成到便携式设备；功耗低；能产生多种运动觉感受；稳定性好	主要侧重于运动觉感受，对形状再现能力弱
基于非晶触觉界面	两个可变形腔室、导管、电磁铁、差压传感器	电磁铁控制导管中 MR 流体的流动，改变腔室的可压缩性	能高保真再现复杂材料特性；交互方式多样；可实现可压缩性大幅变化	无法再现物体形状

从上述表格可以看出，两种技术在组成、原理、优势和局限性方面都有明显的差异。新型微型运动觉执行器更注重在小型化设备中实现运动觉感受的传达，而基于非晶触觉界面则专注于通过流体流动模拟复杂材料的可压缩性和相关特性。

3.2 应用场景对比

技术类型	适用场景	原因
新型微型运动觉执行器	便携式设备、小型电子设备（如手机、智能手表等）；触觉显示屏	尺寸小，功耗低，能为用户提供丰富的运动觉感受，增强设备的交互体验
基于非晶触觉界面	虚拟现实游戏、康复训练、产品界面设计（软按钮、滑块等）	可高保真再现材料特性，交互方式多样，能为用户带来更真实的触觉体验，满足不同场景下的触觉需求

不同的应用场景对技术的要求不同，这两种技术可以根据具体需求进行选择和应用。

3.3 综合优势与发展潜力

虽然两种技术各有局限性，但它们也具有一些综合优势和巨大的发展潜力。

互补性 ：新型微型运动觉执行器可以提供运动觉信息，而基于非晶触觉界面可以再现材料的可压缩性和纹理等特性。将两者结合起来，可以为用户提供更全面、更真实的触觉体验。
创新性 ：两种技术都采用了 MR 流体这一新型材料，具有创新性和前瞻性。MR 流体的可控性使得执行器和界面能够根据不同的需求进行灵活调整，为触觉技术的发展带来了新的可能性。
应用前景广阔 ：随着虚拟现实、游戏、康复等领域的不断发展，对触觉技术的需求越来越高。这两种技术在这些领域都有很大的应用前景，可以为用户带来更加沉浸式的体验。

以下是两种技术综合应用的 mermaid 流程图：

graph LR
    A[新型微型运动觉执行器] --> C[综合应用系统]
    B[基于非晶触觉界面] --> C
    C --> D[虚拟现实应用]
    C --> E[游戏应用]
    C --> F[康复训练应用]

4. 未来展望

随着科技的不断进步，触觉技术将会迎来更加广阔的发展空间。新型微型运动觉执行器和基于非晶触觉界面作为触觉技术的重要研究成果，未来有望在以下几个方面取得进一步的发展。

4.1 技术改进

进一步小型化 ：对于新型微型运动觉执行器，未来可以继续探索更先进的设计和制造工艺，实现更小的尺寸，以便更好地集成到各种便携式设备中。对于基于非晶触觉界面，可以优化腔室和导管的设计，减小整个系统的体积。
提高性能 ：通过改进 MR 流体的性能和控制算法，提高执行器和界面的响应速度、精度和稳定性。例如，开发具有更高灵敏度和更快响应速度的 MR 流体，以及更智能的控制算法，能够根据不同的应用场景实时调整触觉反馈。
增强形状再现能力 ：虽然基于非晶触觉界面目前以牺牲形状为代价来实现可压缩性和纹理的再现，但未来可以探索新的技术和方法，在一定程度上实现形状的再现，从而提供更完整的触觉体验。

4.2 应用拓展

医疗领域 ：在康复训练中，这两种技术可以为患者提供更加真实的触觉反馈，帮助他们更好地恢复运动功能。例如，模拟不同物体的质地和阻力，让患者在训练过程中感受到更接近真实的触觉体验，提高训练效果。
教育领域 ：可以将触觉技术应用于教育场景中，为学生提供更加直观的学习体验。例如，在科学实验教学中，通过触觉界面让学生感受不同材料的特性，增强他们的学习兴趣和理解能力。
智能家居领域 ：将触觉技术集成到智能家居设备中，如智能家具、智能家电等，让用户在操作设备时能够获得更加丰富的触觉反馈。例如，当用户触摸智能沙发时，能够感受到不同的柔软度和弹性，提高家居的舒适度和智能化水平。