摘要：在虚拟现实和遥操作系统中，触觉接口是非常重要的人机交互设备。触觉的实现方法主要有由电磁（螺线管、发声线圈）驱动的机械振动，压电晶体、形状记忆合金驱动的探针阵列，气动系统，热力泵（塞贝克效应）系统等。

关键词：触觉再现；触觉装置；虚拟现实；临场感 

1 前言

在虚拟现实和遥操作系统中，触觉接口是非常重要的人机交互设备。和力觉一样，触觉在虚拟现实和遥操作系统中也显得很重要，触觉反馈设备刺激皮肤，主要再现物体的几何属性如表面粗糙度、纹理或平滑度等。这些触觉是皮肤对振动、小范围形状或压力分布、温度刺激等引起的，和力觉配合，可以增强操作者对虚拟世界的沉浸感。触觉的感知，包含材料的质感、纹理感以及温度感等，目前能模拟的仅是一般的接触感即力感。

2 触觉再现设备

要实现人机交互中的触觉，必须依靠各种触觉设备。按照驱动方式分类，目前的触觉再现设备主要有电池驱动，电机驱动，气体驱动，压电陶瓷驱动，记忆合金驱动，温度驱动等触觉设备。

2.1 基于电磁驱动的触觉接口设备

不同频率和幅度的振动能够使操作者产生表面纹理、平滑度、撞击或刺痛的触觉感受，所以有许多研究机构和人员以振动的方式实现触觉再现。Sandia国际实验室的研究人员研制了一种2×3电磁驱动的探针阵列，安装于操作者的手指上，能够产生频率为8～100Hz、振幅为762的振动信号，能够产生的最大压力为1.2，主要用于再现物体的表面纹理和其他表面信息[1]。

Exos的研究人员研究开发的TouchMaster，可以对每个手指分别施加刺激作用，驱动器是电磁发声线圈，提供一个幅值固定频率在210～240Ｈｚ的振动触觉反馈。

1995年，美国VirtualTechnologies公司设计出CyberTouch，是在标准的数据手套CyberGlove的手指和手掌上安装有电磁振动触觉装置，为使用者提供脉冲和振动反馈。

Xtensory研制的Tavtool系统驱动器通过电缆和电源相连，探针之间的距离为3m，每个驱动探针的驱动能力为30g,可分别工作在振动或震荡模式。

Pwellman和RDHowe利用电磁发声线圈安装在同构主-从机械手的末端执行器上，把远程或虚拟环境的振动信息比较真实地再现到操作者处。

Akamatsu等人把普通鼠标进行改造，使其在食指的末端产生触觉信息。这个触觉信息是通过安装在鼠标前端的铝针（1×2mm）受螺线管控制而产生的。

在Karlsruhe技术与工程研究中心，Fisher等人研制了一种能够与柔软的内诊镜末端执行器交互的触觉反馈设备，该设备由3×24共72个探针驱动器组成，不同的探针分别由电磁体驱动，最大操作频率能够达到600Ｈｚ。

在东京的NTT实验室，Twatanable和Sfukui研制了一种能够再现物体粗糙度的装置，他们是通过使一个表面在超声波级的频率（大约77kHz）振动获得反馈信息，最大振幅在2。

2.2 基于电机驱动的触觉接口设备

CRwanger等人利用交流伺服电机设计了一种触觉接口设备。该装置要求电机有较大的带宽，垂直方向的位移较大，成本低并具有简单的结构。表面具有6×6个机械探针，每个探针分别由一电机驱动，探针之间的距离为2mm，并具有4比特的分辨率，垂直方向的位移为2mm，上升时间为41ms[2]。

在Brodey和Holmen工作基础上，Computouch研究开发出一种新型概念的触觉再现方法，该系统由一个低成本的两轴电机组成，最大倾斜角度±10°。

2.3 基于气体驱动的触觉设备

Ｓａｌｆｏｒｄ大学的研究人员研制的ＡＲＲＬ触觉反馈设备[27]，是一个无手套的接触反馈设备，有一个手柄，上面安装3个气体驱动器(充气袋)，当手与虚拟物体接触时，气体驱动器由伺服阀控制充气，使手产生接触物体的感觉[3]。

日本东芝核工程实验室的研究人员把充气驱动器设计成环形并安装在VPL数据手套上，当气体驱动器充气时将在使用者的手指受到一个压力的作用。充气后直径8mm，长度12mm，最大的压力2。

2.4 基于压电陶瓷的触觉设备

由ＶＰＬ研制的数据手套拥有14个用于测量手指弯曲传感器，IMB的Zimmerman和他的同伴改进了该数据手套，在每个手指上设置压电陶瓷驱动器，使其拥有触觉再现功能[4]。

Exeter触觉接口装置用于在指尖产生触觉感受，该系统在1的面积上设计有100个压电驱动探针，每个驱动探针由软件分别驱动。

2.5 基于记忆合金（SMA）的触觉设备

和美国空军的人工系统中心合作，Tini公司研制出一种5×6个探针阵列的触觉装置，每个探针之间距离为1.5ｍｍ，探针的直径为1mm，能够产生的力为6g，每个探针分别由一个记忆合金线驱动，响应时间为100ms。

Johanson设计了由SMA线驱动的5×6个探针、操作频率为20Ｈｚ的触觉接口，Wellman设计了呈直线排列的由SMA线驱动的10探针触觉接口。SMA线用于控制探针，当SMA有电流流过时，每个探针能够向上移动3mm，并能够产生1N的力。

2.6 温度触觉设备

Salford大学的研究者开发了一种能够再现压力和温度的触觉装置，由直径为10mm，厚度为1mm的压电换能器圆盘组成。

CM公司的研究人员们设计了用于虚拟环境的DTSS系统，该系统实现虚拟环境中的温度再现，型号为，包括一个控制器和8个热力泵，温度的变化范围为10～45℃，分辨率为0.1℃。

3 结束语

触觉作为虚拟现实的关键技术，离不开各种交互设备，而各种交互设备的发展，又将促进触觉技术的提高，相辅相成。

参考文献

[1] YukiUeda，ChiharuIshii.Feedbackdeviceoftemperaturesensationforamyoelectricprosthetichand[J].AdvancesinScience,TechnologyandEngineeringSystems,2017,2(3):environment.computer,1995,28(7);42-48

[2] PotemkinBA,FrolovKV.[Modelrepresentationsofthehumanoperatorbiomechanicalsystemsubjecttorandomvibration].[J].DokladyAkademiinaukSSSR,1971,197(6).

[3] V.Ciupe,E-C.Lovasz,C-M.Gruescu,D.Margineanu,I.Maniu.TestingtheHapticExoskeletonActuatorsinaVirtualEnvironment[J].Proceedingsofthe14thIFToMMWorldCongress,2015(14th-5).

[4] SethuramanPanchanathan,KanavKahol.GuestEditors'Introduction:HapticUserInterfacesforMultimediaSystems.[J].IEEEMultiMedia,2006,13(3).