機(jī)器人觸覺交互研究

人類與外界的交互，包括認(rèn)知和改造兩個(gè)方面，前者是后者的前提。對于前者，認(rèn)知本質(zhì)上是對時(shí)空的直觀。具體說，任何一個(gè)外界的事物，都是時(shí)間和空間的具體形式體現(xiàn)----可以用一組時(shí)間空間參數(shù)描述。時(shí)空的無窮組合，也便造就了外界的多樣性。對于這些組合的認(rèn)知，人類有多個(gè)通道進(jìn)行直觀----視覺、聽覺、觸覺、嗅覺、味覺。這種簡潔高效的直觀方式也導(dǎo)致了一個(gè)問題：一個(gè)人和一個(gè)事物之間在時(shí)空上存在一定距離，就無法做到多個(gè)通道同時(shí)直觀，以此限制了人對外界的認(rèn)知水平。目前，從成熟度看，對五種通道的研究大致有三個(gè)梯隊(duì)：視覺、聽覺為第一梯隊(duì)，我們的模仿已十分成熟----各類商業(yè)化的視聽產(chǎn)品；觸覺是第二梯隊(duì)，處于成長期；嗅覺、味覺，處于第三梯隊(duì)，該方面的研究相對較少。事實(shí)上有研究表明，觸覺是生物體最原始的感覺通道，甚至早于視覺功能進(jìn)化，直至今日，人類嬰兒探索世界的主要方式仍是觸覺行為。可見，觸覺研究落后的原因不是說不重要，而是不簡單。觸覺研究的困難存在于觸覺實(shí)現(xiàn)的各個(gè)環(huán)節(jié)中：觸覺機(jī)理復(fù)雜、觸覺數(shù)據(jù)難以獲取、觸覺系統(tǒng)真再現(xiàn)實(shí)度低、觸覺應(yīng)用數(shù)量少。本文從觸覺感知機(jī)理、觸覺建模及渲染、觸覺再現(xiàn)系統(tǒng)和展望四個(gè)方面展開論述。

1.觸覺感知機(jī)理

觸覺作為一個(gè)通道，其輸入是觸摸物體時(shí)觸覺感受器的空間變化、震動(dòng)，其輸出是各類感覺，如硬度、形狀、粗糙度、紋理、彈性、濕度、黏性；其實(shí)現(xiàn)的方式是通過各種操作，如觸摸、按壓、拿捏、滑動(dòng)[1]等。目前，關(guān)于人體觸覺感知較為成熟的是四通道理論，即人體對外界的觸覺感知由皮膚內(nèi)的4種機(jī)械式刺激感受器共同完成, 包括 Ruffini小體、Meissner小體、Merkel盤和Pacinian小體。4種觸摸感受器所在皮膚組織的位置和對觸覺刺激的響應(yīng)均不相同, 其中, Ruffini小體感知彈性,Meissner小體感知凸起邊緣, 物體外形、紋理造成的壓力及低頻的振動(dòng)刺激一般由位于皮膚上皮層和真皮層之間的Merkel小體感知, 而高頻振動(dòng)刺激則由皮膚最深處的Pacinian小體感知。

2.觸覺建模及渲染

此部分實(shí)際上是為了解決這兩個(gè)問題：1，如何獲得數(shù)據(jù)？2，如何對真實(shí)表面的感覺進(jìn)行描述和數(shù)學(xué)建模？

針對問題1，這里主要涉及兩個(gè)方面：數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)壓縮。數(shù)據(jù)采集：數(shù)據(jù)采集主要是通過各種信號采集設(shè)備實(shí)現(xiàn)，物體的結(jié)構(gòu)可以通過傳統(tǒng)的三維掃描識(shí)別和軟件來實(shí)現(xiàn)，但單純的幾何建模無法獲取像觸感等其他物理交互屬性。如清華大學(xué)孫富春教授團(tuán)隊(duì)研制的觸覺手套，可以采集人手的指尖與手掌操作過程的觸覺信息[2]。同時(shí)觸覺信號的采集往往包含位置、角度、速度、力等多維信息,因此, 在進(jìn)行觸覺再現(xiàn)的信號建模等處理之前, 需要對采集的原始觸覺數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮或降維。

針對問題2，目前建模渲染主要有兩種方式：基于觸覺數(shù)據(jù)和基于視覺數(shù)據(jù)。基于觸覺數(shù)據(jù)：物體材質(zhì)的觸覺信息包括材質(zhì)的紋理輪廓、摩擦力、振動(dòng)信號等, 觸覺再現(xiàn)即是模擬、重建材質(zhì)表面觸覺信息的過程。基于真實(shí)的觸覺交互數(shù)據(jù)可以構(gòu)建物體表面的紋理或幾何輪廓模型, 或通過參數(shù)化建模等方式計(jì)算材質(zhì)表面的觸覺信號,實(shí)現(xiàn)虛擬物體表面的觸覺再現(xiàn)。基于視覺數(shù)據(jù)：觸覺數(shù)據(jù)需要通過專門的采集設(shè)備進(jìn)行收集和處理, 數(shù)據(jù)獲取要求高, 目前得到的觸覺數(shù)據(jù)規(guī)模小。相比觸覺數(shù)據(jù)集, 自然圖像和紋理圖像有大量的公開數(shù)據(jù)集可以獲取, 這些圖像中往往包含豐富的視覺和觸覺特征。基于圖像特征提取的觸覺再現(xiàn)從圖片的灰度、深度等信息獲取圖像中紋理表面的輪廓和特征, 將圖像幾何信息映射到觸覺信息后實(shí)現(xiàn)觸覺渲染。 

3.觸覺再現(xiàn)系統(tǒng)

觸覺再現(xiàn)研究目的在于設(shè)計(jì)出優(yōu)異的觸覺再現(xiàn)系統(tǒng)以提高人機(jī)交互的效率，優(yōu)異主要體現(xiàn)在：真實(shí)的觸覺再現(xiàn)、高效的人機(jī)交互和豐富的感知體驗(yàn)。目前觸覺再現(xiàn)系統(tǒng)按交互形式主要分為觸摸屏系統(tǒng)、觸覺筆系統(tǒng)、可穿戴系統(tǒng)、主動(dòng)表面和空氣觸覺系統(tǒng)。如清華大學(xué)史元春教授團(tuán)隊(duì)針對現(xiàn)有觸覺圖形顯示器進(jìn)行交互技術(shù)和用戶體驗(yàn)的研究[3]。其從盲人觸覺這一應(yīng)用領(lǐng)域入手，對比目前主流的觸摸屏，通過實(shí)驗(yàn)分析了觸摸屏工作方式和點(diǎn)陣幅面對盲人交互體驗(yàn)的影響，最終得出了一套觸覺顯示器的交互體驗(yàn)原則：符合盲人用戶的自身認(rèn)知、合理使用隱喻、使用場景多樣, 以及成本控制。如在shadow靈巧手操控中，數(shù)據(jù)手套指尖穿戴振動(dòng)器，將shadow靈巧手的觸覺反饋給人手，以此增加遙操作機(jī)器人的沉浸感。

4.展望

目前的觸覺再現(xiàn)技術(shù)可實(shí)現(xiàn)的真實(shí)感和交互性有限, 復(fù)雜感知機(jī)理和高開發(fā)成本增加了該領(lǐng)域的研究難度。面對觸覺再現(xiàn)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀, 結(jié)合觸覺再現(xiàn)系統(tǒng)的應(yīng)用需求, 未來觸覺再現(xiàn)技術(shù)的突破發(fā)展有望從觸覺感知機(jī)理、觸覺數(shù)據(jù)建模、觸覺反饋系統(tǒng)和觸覺交互應(yīng)用幾個(gè)方向共同展開：

(1) 觸覺感知機(jī)理的深入思考

由于缺乏系統(tǒng)的方法和多項(xiàng)技術(shù)發(fā)展阻礙, 尚未有系統(tǒng)且完整的理論表述觸覺感知的各項(xiàng)影響因素。人體觸覺感知機(jī)制的研究需要綜合多門學(xué)科、從多個(gè)角度展開探索。

(2) 觸覺建模算法的不斷探索

觸覺感知會(huì)受到神經(jīng)生理組織、交互方式等多方面的影響, 準(zhǔn)確提取和記錄觸覺交互過程中相關(guān)參數(shù), 尋找并構(gòu)建更精確的觸覺計(jì)算模型, 有助于提高觸覺再現(xiàn)信號的準(zhǔn)確性和真實(shí)度。目前采集的真實(shí)觸覺數(shù)據(jù)量及其可反映的物體觸覺屬性有限, 而且數(shù)據(jù)在采集、建模、傳輸和再現(xiàn)過程中均有部分觸覺信息損失。未來在觸覺數(shù)據(jù)的提取和記錄方面, 需要設(shè)計(jì)低本、多維度的觸覺數(shù)據(jù)采集系統(tǒng), 構(gòu)建統(tǒng)一的觸覺數(shù)據(jù)采集和處理標(biāo)準(zhǔn)；在增加觸覺數(shù)據(jù)采集數(shù)量和維度的基礎(chǔ)上, 提升觸覺信號傳輸速率和信息保真率, 降低觸覺數(shù)據(jù)處理和分析過程中的信息損失。在觸覺數(shù)據(jù)建模方面, 針對簡單數(shù)學(xué)模型無法準(zhǔn)確建模的觸覺信號, 基于深度學(xué)習(xí)技術(shù)練 更復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)模型, 能夠?qū)τ|覺數(shù)據(jù)進(jìn)行更精確的特征提取和建模處理; 此外, 針對觸覺技術(shù)研發(fā) 成本高的問題, 通過結(jié)合大數(shù)據(jù)技術(shù)建立和發(fā)布大規(guī)模開放式觸覺數(shù)據(jù)集, 能夠極大程度地促進(jìn)虛擬觸覺再現(xiàn)技術(shù)的飛躍。

(3) 觸覺再現(xiàn)系統(tǒng)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)

目前, 傳統(tǒng)的觸覺再現(xiàn)系統(tǒng)正在向更多交互維度、更大操作空間等趨勢發(fā)展, 然而這些系統(tǒng)依然面臨著便攜性差、真實(shí)感弱、觸覺反饋強(qiáng)度有限、不同維度性能差異大等問題。開發(fā)基于移動(dòng)終端及可穿戴式觸覺再現(xiàn)系統(tǒng)、增加觸覺再現(xiàn)系統(tǒng)的觸覺信息將是觸覺再現(xiàn)技術(shù)的重要發(fā)展方向之一。

(4) 觸覺交互應(yīng)用的協(xié)同發(fā)展

由于觸覺反饋方式和系統(tǒng)的限制, 觸覺交互應(yīng)用開發(fā)成本高, 而觸覺交互系統(tǒng)的增強(qiáng)效果還停留在簡單的振動(dòng)碰撞模擬, 觸覺再現(xiàn)技術(shù)帶來的交互體驗(yàn)和效率優(yōu)化價(jià)值難以評判。