大号“手环”,利用小臂模拟阻力的体感反馈系统来袭

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VR为我们带来了逼真的视觉和听觉效果,而为了进一步增强沉浸感,常常会采用体感反馈设备。就像是4D电影和3D电影的区别,体感反馈为视觉体验增加了一层身临其境的感受。

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然而,目前VR中使用的体感反馈设备通常比较笨重,成本也较高,通常应用于培训等B端场景,而在C端游戏场景并不实用。微软、Meta等公司也在探索各种在VR中提供体感模拟的方式,不过这些技术目前还在研发阶段,消费级VR手柄目前仅支持基础的震动反馈。

现有的VR手柄需要手持,在VR中抓手柄的动作一定程度容易打破沉浸感。如果利用手环来提供体感反馈,便可以解放VR用户的双手。如果想要模拟物理触觉,通常需要采用各种VR手套,缺点是搭载强度和方向调节元件,整体比较笨重。

近期,日本调布市电气通信大学的科研人员Taha Moriyama研发了一种手环式的低成本VR体感系统,其特点是可3D打印,重量仅250g。细节方面,该手环包括一个摄像头传感器,用于追踪用户的手势。而触觉模块则作用于小臂的上下左右四面,会跟随手制动的运动而变化。

比如,用户用手指触摸VR物体时,手环会在小臂上施加一种剪力,即垂直于作用面的力。通过小臂的触觉,来暗示用户触摸VR物体时应该感受到的阻力。

在一场由11人参加的实验中,结果发现这种全新的触觉模拟手环舒适度足够好,参与者未经过培训就能快速上手。实验结果还显示,利用体感手环在VR中完成任务(移动VR物体)的速度,比无体感反馈或采用手指反馈的方案更快。

不过实验参与者们反馈,手环提供的体感反馈仅“象征”了真实的体感,并不是抓住物体时手指感受的阻力。尽管如此,它的优势是无需VR手柄,可以和手势追踪结合,提供一定程度的体感暗示。

方案优势

科研人员表示:现有的VR体感设备存在多种缺点,如设备之间的物理干扰。厚重的VR手套在移动五指时,组件之间可能会触碰。可模拟阻力不同程度和方向的阻力,这些力反馈是由手环上的5个连接的杠杆结构生成的。

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人体感知触觉的原理是,人的感觉器官密度足够高,因此对于触碰各种纹理、形状、重量和温度时产生的触觉很敏感。目前市面上的大多数VR触觉反馈系统采用手套形式,正是利用了手指敏感的触觉原理。

另一方面,VR手套穿戴起来并不方便,如果过于笨重,可能会影响手指移动的自由度。

相比之下,Moriyama研发的方案由伺服马达驱动,将压力施加在小臂上。科研人员认为,触觉感觉可以在两个位置呈现,小臂的两侧和背面可以分别对应拇指和食指的体感。

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因此,上部和下部触觉呈现位置可以结合每个手指的运动而独立驱动。

方案细节

细节方面,该手环可以通过调整侧面的皮带来调整体尺寸。

五连杆结构在平面内形成一个闭环,其中两个连杆用于实现平面内的两个自由度。除了连杆外,还包括两个直流马达。两个电机可以同向驱动,使皮肤产生摩擦感,也可以相反方向驱动,产生压力感。

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此前的研究显示,作为 VR 环境中的触觉呈现方法,仅将振动触觉以及振动触觉和力觉直接呈现给手指与VR对象的交互,有助于执行任务。而本文中的体感手环方案,似乎可以减少重复、简单任务的执行时间。

实验参与者们反馈:“即使触摸不是在指尖上,我也清楚地感受到了使用新提出的设备抓取物体的感觉,而不仅仅是触摸或抓取物体的认知。”

接下来,科研人员计划进一步优化该方案,比如与手指的装置进行比较,并确定任务执行时间和现实体验是否得到改善。未来,还计划将该体验方案与其他体感功能结合,比如震动反馈系统、温度模拟系统等等。参考:IEEE

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