触觉设备

刺激人的力触觉的人机接口装置

力触觉设备是刺激人的力触觉的人机接口装置，人的力触觉包括肌肉运动觉(力、运动)和触觉(接触、刺激)，力觉设备能够尽可能真实地再现远程或虚拟环境中的硬度、重量和惯量信息，而触觉设备能够再生真实的触觉要素，如纹理、粗糙度和形状等。

力触觉设备的分类

力触觉设备可以分为触觉再现设备(tactile device)和反馈运动知觉力的力觉再现设备(kinesthetic device)。

触觉再现设备

触觉再现设备一般用于再现触摸觉纹理信息，且通常装配在力觉再现设备上联合使用。虽然人机交互接口可以使用人体的许多部位来完成人机交互作用，但是以基于手的力触觉设备较为发展成熟和使用广泛。

触觉再现设备一般通过采用各种方法来刺激皮肤的触觉感受器，如空气风箱或喷嘴、电激励产生的振动、微型针阵列、直流电脉冲和功能性的神经肌肉刺激等。

力觉再现设备

力觉再现设备要求能够提供真实的作用力来阻止用户的运动，这就要求使用较大的激励器和结构，使得这类设备比较复杂和昂贵。根据使用时安装位置不同，力觉设备又可以区分为地面、桌面固定式的和基于身体式的。前者包括各种力反馈操纵杆和桌面式设备，后者一般指装配在操作者四肢或者手指上的设备。

根据内在的机械行为特征，力觉再现设备可以分为阻抗型和导纳型。阻抗型的设备用于再现阻抗特性，它根据输入的位移域速度床计算输出力;导纳型的设备则相反，它通过根据输入作用力的大小来输出位移域速度)量。由于阻抗型设备相对设计简单制造便宜，大部分的力觉再现设备都属于这一类型。而导纳型的设备往往应用于需要较大工作空间和较大作用力的场合。

从采用何种器件(电机或制动器)来获得力触觉再现效果，力觉再现设备可以区分为有源的(能产生能量)或者无源的(不能产生能量)。有源的设备往往采用电机作为致动器，它能够以相对较快的响应速度获得任意方向的力/力矩。但是它的这种有源性，有时候会引起系统的不稳定，严重损害力触觉再现的效。采用制动器等无源器件的设备永远都是稳定的，因为它只消耗能量。虽然这类设备能够产生较大的力/力矩，但是该力/力矩的方向却被限定外力/力矩作用的反方向，它不能产生任意方向的力/力矩。此外，制动器的响应速度较慢也进一步限制了力触觉再现的性能。

力触觉再现设备的应用

医学治疗领域

随着计算机技术和互联网的日益发展，借助力/触觉再现设备的力/触觉再现虚拟现实在医学上的应用变得越来越广泛。医生需要通过不断练习训练来提高自身的诊断和操作技能，而通常作为训练对象的解剖模型、动物、尸体、志愿者或者病人存在着众多缺点:解剖模型过于简单，既不能真实再现病人的反应，也不便于充分记录医生的表现;动物与人类的解剖结构存在差别，而且使用它们进行训练存在争议(动物保护者的反对);尸体所能提供的生理学特征不够准确;利用志愿者或病人进行手术练习存在着潜在的风险(操作失误会造成伤害甚至死亡)。作为医学教育和治疗的辅助工具，面向医疗诊断(前列腺触诊、内窥镜检查)、外科手术(静脉注射、微创手术和开放性手术)和康复训练等的仿真系统正受到越来越多的重视。

军事应用领域

军用设备的发展趋势表现为技术复杂度不断增加且使用年限不断缩短，带力/触觉再现的虚拟现实仿真系统除了能够方便训练外还具有很好的升级灵活性，可以很好地满足军事方针训练要求。

力触觉再现设备的未来发展趋势

对于触觉再现设备，为了能逼真地再现物体纹理等材料特性，提高再现精度、设备微型化等将是未来研究的重要方向。

一般来讲，一个理想的力设备应当具备的特点为：

1、具有较小的后向惯量和摩擦力，自由运动时所受约束小;

2、较大的再现作用力/力矩幅度和较大的操作空间，足够多的自由度;

3、对称的惯量、摩擦力、刚度和共振频率等特性;

4、较高的(位置检测与力生成)精度、分辨率和频响;

5、较好的人体工学设计等特点。

因而，从减小设备惯量和摩擦力、提高位移检测和作用力输出精度、提升设备的动态响应性能、降低成本等各个方面入手，设计出高性能的力觉再现设备是较为重要的研究方向。

大部分的力/触觉设备使用操作者手部来进行交互的，其所再现的力/触觉感知范围还有限。在未来的时间，研究能够对操作者身体各部位都提供力/触觉再现的设备或装置，无疑能进一步增强力触觉再现感知和虚拟现实技术的应用。