Тактильная технология - Haptic technology

Налобный дисплей 1980-х годов и проволочные перчатки в Исследовательском центре Эймса НАСА.

Тактильная технология , также известная как кинестетическая коммуникация или 3D-прикосновение , относится к любой технологии, которая может создавать ощущение прикосновения , прикладывая к пользователю силы , вибрации или движения. Эти технологии могут использоваться для создания виртуальных объектов в компьютерном моделировании , для управления виртуальными объектами и для улучшения удаленного управления машинами и устройствами ( телероботика ). Тактильные устройства могут включать в себя тактильные датчики, которые измеряют силы, прикладываемые пользователем к интерфейсу. Слово тактильной , от греческого : ἁπτικός ( haptikos ), означает «тактильный, относящиеся к осязанию». Обычны простые тактильные устройства в виде игровых контроллеров , джойстиков и рулей .

Тактильная технология облегчает исследование того, как работает осязание человека, позволяя создавать управляемые тактильные виртуальные объекты. Большинство исследователей выделяют три сенсорные системы, связанные с осязанием человека: кожную , кинестетическую и тактильную . Все восприятия, опосредованные кожной и кинестетической чувствительностью, называются тактическим восприятием. Чувство осязания можно разделить на пассивное и активное, а термин «тактильный» часто ассоциируется с активным прикосновением для общения или распознавания объектов.

История

Одно из первых применений тактильной технологии было в больших самолетах, которые использовали системы сервомеханизма для управления поверхностями управления. В более легких самолетах без сервосистем , когда самолет приближался к сваливанию , аэродинамические удары (вибрации) ощущались в органах управления пилота. Это было полезным предупреждением об опасных условиях полета. Сервосистемы имеют тенденцию быть «односторонними», что означает, что внешние силы, аэродинамически прикладываемые к рулевым поверхностям, не воспринимаются органами управления, что приводит к отсутствию этой важной сенсорной подсказки . Чтобы решить эту проблему, отсутствующие нормальные силы моделируются с помощью пружин и грузов. Угол атаки измеряется, и по мере приближения к критической точке срыва включается вибростенд, который имитирует реакцию более простой системы управления . В качестве альтернативы можно измерить сервоусиление и направить сигнал в сервосистему управления, также известную как обратная связь по усилию . Силовая обратная связь была экспериментально реализована в некоторых экскаваторах и полезна при выемке смешанных материалов, таких как большие камни, залитые илом или глиной. Это позволяет оператору «чувствовать» и обходить невидимые препятствия.

В 1960-х Пол Бах-и-Рита разработал систему замены зрения, используя набор металлических стержней 20x20, которые можно было поднимать и опускать, создавая тактильные «точки», аналогичные пикселям экрана. Люди, сидящие в кресле, оснащенном этим устройством, могли идентифицировать изображения по рисунку точек, вбитых им в спину.

Первый патент США на тактильный телефон был выдан Томасу Д. Шеннону в 1973 году. Ранняя система тактильной человеко-машинной связи была построена А. Майклом Ноллом в Bell Telephone Laboratories, Inc. в начале 1970-х годов, и был выдан патент на его изобретение в 1975 году.

Фотография жилета Aura Interactor.
Жилет Aura Interactor

В 1994 году был разработан жилет Aura Interactor . Жилет - это носимое устройство с обратной связью по усилию, которое контролирует аудиосигнал и использует технологию электромагнитного привода для преобразования басовых звуковых волн в вибрации, которые могут представлять такие действия, как удар кулаком или пинком. Жилет подключается к аудиовыходу стереосистемы, телевизора или видеомагнитофона, и аудиосигнал воспроизводится через динамик, встроенный в жилет.

Изображение наручных часов Tap-in.
Устройство для подключения к электросети Дженсена

В 1995 году Томас Мэсси разработал систему PHANToM (Personal HAptic iNTerface Mechanism). Он использовал наперстки на концах компьютеризированных рук, в которые можно было вставить пальцы человека, позволяя им «чувствовать» объект на экране компьютера.

В 1995 году норвежец Гейр Йенсен описал тактильное устройство наручных часов с механизмом касания кожи, названное Tap-in. Наручные часы будут подключаться к мобильному телефону через Bluetooth , а шаблоны частоты нажатия позволят владельцу отвечать на звонящего с помощью выбранных коротких сообщений.

В 2015 году были выпущены Apple Watch . Он использует датчик касания кожи для доставки уведомлений и предупреждений с мобильного телефона владельца часов.

Реализация

Вибрация

В большинстве электронных устройств, предлагающих тактильную обратную связь, используются вибрации, и в большинстве используется привод с эксцентриковым вращающимся грузом (ERM), состоящий из неуравновешенного груза, прикрепленного к валу двигателя. Когда вал вращается, вращение этой неравномерной массы заставляет привод и присоединенное устройство трястись. Некоторые более новые устройства, такие как MacBooks и iPhone от Apple, оснащенные «Taptic Engine», совершают свои колебания с помощью линейного резонансного привода (LRA), который перемещает массу в обратном направлении с помощью магнитной звуковой катушки , подобно тому, как электрический ток переменного тока сигналы переводятся в движение в конусе громкоговорителя . LRA способны быстрее реагировать, чем ERM, и, таким образом, могут передавать более точные тактильные изображения.

Пьезоэлектрические приводы также используются для создания вибраций и предлагают даже более точное движение, чем LRA, с меньшим шумом и меньшей платформой, но требуют более высоких напряжений, чем ERM и LRA.

С силовой обратной связью

Устройства с обратной связью по усилию используют двигатели для управления движением предмета, удерживаемого пользователем. Обычно используется в автомобильных видеоиграх и симуляторах, которые поворачивают рулевое колесо для имитации сил, возникающих при прохождении поворота на реальном транспортном средстве. Колеса с прямым приводом , представленные в 2013 году, основаны на серводвигателях и являются самыми высокотехнологичными гоночными колесами с силовой обратной связью по прочности и надежности.

В 2007 году Novint выпустила Falcon , первое потребительское устройство с трехмерным сенсорным экраном и трехмерной силовой обратной связью высокого разрешения. Это позволило имитировать тактильные объекты, текстуры, отдачу, импульс и физическое присутствие объектов в играх.

Воздушные вихревые кольца

Воздушные вихревые кольца представляют собой воздушные карманы в форме пончика, состоящие из концентрированных порывов воздуха. Сфокусированные воздушные вихри могут задуть свечу или потревожить бумаги с расстояния в несколько ярдов. И Microsoft Research (AirWave), и Disney Research (AIREAL) использовали воздушные вихри для бесконтактной тактильной обратной связи.

УЗИ

Сфокусированные ультразвуковые лучи можно использовать для создания локального ощущения давления на палец, не касаясь какого-либо физического объекта. Фокус, создающий ощущение давления, создается путем индивидуального управления фазой и интенсивностью каждого преобразователя в массиве ультразвуковых преобразователей. Эти лучи также можно использовать для создания ощущения вибрации и для предоставления пользователям возможности ощущать виртуальные трехмерные объекты.

Приложения

Автомобильная промышленность

С появлением больших сенсорных панелей управления на приборных панелях транспортных средств технология тактильной обратной связи используется для подтверждения сенсорных команд без необходимости отводить взгляд от дороги. Дополнительные контактные поверхности, например рулевое колесо или сиденье, также могут предоставлять водителю осязательную информацию, например, предупреждающий рисунок вибрации при приближении к другим транспортным средствам.


Изобразительное искусство

Тактильные технологии были изучены в виртуальном искусстве, например, синтез звука или графический дизайн и анимации . Тактильная технология использовалась для улучшения существующих произведений искусства на выставке Tate Sensorium в 2015 году. При создании музыки шведский производитель синтезаторов Teenage Engineering представил тактильный модуль сабвуфера для своего синтезатора OP-Z, позволяющий музыкантам ощущать басовые частоты непосредственно на своем инструменте.

Авиация

Силовая обратная связь может использоваться для повышения соблюдения безопасного диапазона полета и, таким образом, снижения риска перехода пилотов в опасные состояния полета за пределами рабочих границ, при этом сохраняя окончательные полномочия пилотов и повышая их осведомленность о ситуации .

Медицина и стоматология

Тактильные интерфейсы для медицинского моделирования разрабатываются для обучения минимально инвазивным процедурам, таким как лапароскопия и интервенционная радиология , а также для обучения студентов-стоматологов. Виртуальная тактильная спина (VHB) была успешно интегрирована в учебную программу Колледжа остеопатической медицины Университета Огайо . Тактильные технологии позволили разработать хирургию телеприсутствия , позволяющую опытным хирургам оперировать пациентов на расстоянии. Когда хирург делает разрез, он ощущает тактильную обратную связь и обратную связь с сопротивлением, как если бы воздействовал непосредственно на пациента.

Тактильные технологии также могут обеспечивать сенсорную обратную связь для улучшения возрастных нарушений контроля равновесия и предотвращения падений у пожилых людей и людей с нарушением равновесия.


Мобильные устройства

Вибрамотор LG Optimus L7 II

Тактильная тактильная обратная связь обычна в сотовых устройствах . В большинстве случаев это принимает форму вибрационного отклика на прикосновение. Alpine Electronics использует технологию тактильной обратной связи PulseTouch во многих своих сенсорных автомобильных навигационных устройствах и стереосистемах. Nexus One оснащен тактильной обратной связи, в соответствии с их требованиями. Samsung впервые выпустила телефон с тактильным управлением в 2007 году.

Тактильные ощущения от поверхности относятся к созданию переменных сил на пальце пользователя, когда он взаимодействует с поверхностью, такой как сенсорный экран. Tanvas использует электростатическую технологию для управления силами в плоскости, испытываемыми кончиком пальца, в качестве программируемой функции движения пальца. В проекте TPaD Tablet Project используется ультразвуковая технология для изменения кажущейся скользкости стеклянного сенсорного экрана.

В 2013 году Apple Inc. получила патент на систему тактильной обратной связи, подходящую для мультитач-поверхностей. Патент Apple в США на «Способ и устройство для локализации тактильной обратной связи» описывает систему, в которой по крайней мере два исполнительных механизма расположены под устройством ввода с несколькими касаниями, обеспечивая вибрационную обратную связь, когда пользователь вступает в контакт с устройством. В частности, патент предусматривает, что один исполнительный механизм вызывает вибрацию обратной связи, в то время как по меньшей мере один другой исполнительный механизм использует свои вибрации для локализации тактильного ощущения, предотвращая распространение первого набора вибраций на другие области устройства. В патенте приводится пример «виртуальной клавиатуры», однако также отмечается, что изобретение может быть применено к любому мультитач-интерфейсу.

Нейрореабилитация

Для людей с двигательной дисфункцией верхних конечностей роботизированные устройства, использующие тактильную обратную связь, могут быть использованы для нейрореабилитации. Роботизированные устройства, такие как конечные эффекторы, и как заземленные, так и незаземленные экзоскелеты, были разработаны для помощи в восстановлении контроля над несколькими группами мышц. Тактильная обратная связь, применяемая этими роботизированными устройствами, помогает восстановить сенсорную функцию благодаря своей большей иммерсивной природе.

Загадки

Тактильные головоломки были разработаны, чтобы исследовать целенаправленное тактильное исследование, поиск, обучение и память в сложных трехмерных средах. Цель состоит в том, чтобы дать многопалым роботам возможность осязать и получить больше информации о человеческом мета-обучении.

Персональные компьютеры

В 2008 году компания Apple Inc. «s MacBook и MacBook Pro начали включать в„Тактильный Touchpad“дизайн с функциональностью кнопки и тактильной обратной связи , включенного в поверхность слежения. Затем последовали такие продукты, как Synaptics ClickPad.

В 2015 году Apple представила трекпады Force Touch на MacBook Pro 2015 года, которые имитируют щелчки с помощью Taptic Engine.


Робототехника

Тактильная обратная связь необходима для выполнения сложных задач с помощью телеприсутствия . Тень рука , продвинутая роботизированная рука, имеет в общей сложности 129 сенсорных датчиков , встроенном в каждом соединении и подушечке пальца , что информация релейной к оператору. Это позволяет выполнять такие задачи, как набор текста, на расстоянии. Ранний прототип можно увидеть в коллекции НАСА гуманоидных роботов, или робонавтов .



Сенсорная замена

В декабре 2015 года Дэвид Иглман продемонстрировал носимый жилет, который «преобразует» речь и другие звуковые сигналы в серию вибраций. Это позволяло людям с нарушениями слуха «ощущать» звуки на своем теле. С тех пор он коммерчески выпускается в виде браслета.

Космос

Согласно сообщениям новостей, использование тактильных технологий может быть полезно при освоении космоса , включая посещение планеты Марс .

Тактильные электронные дисплеи

Тактильный электронный дисплей - это устройство отображения, которое передает текстовую и графическую информацию с помощью осязания. Устройства такого типа были разработаны для помощи слепым или глухим пользователям, предоставляя альтернативу зрительным или слуховым ощущениям.

Телеоператоры и тренажеры

Телеоператоры - это роботизированные инструменты с дистанционным управлением. Когда оператору предоставляется обратная связь о задействованных силах, это называется тактильной телеоперацией . Первые электрически приводимые в действие Телеоператоры были построены в 1950 - х годах в Аргоннской национальной лаборатории по Raymond Goertz дистанционно обращаться с радиоактивными веществами. С тех пор использование обратной связи по силе стало более распространенным в других типах телеоператоров, таких как дистанционно управляемые устройства для подводной разведки.

Такие устройства, как медицинские тренажеры и имитаторы полета, идеально обеспечивают обратную связь по силе, которая ощущалась бы в реальной жизни. Моделируемые силы генерируются с помощью тактильного управления оператором, что позволяет сохранять или воспроизводить данные, представляющие ощущения прикосновения.

Теледилдоника

Тактильная обратная связь используется в теледилдонике , или «секс-технологиях», для того, чтобы удаленно подключать секс-игрушки и позволять пользователям заниматься виртуальным сексом или позволять удаленному серверу управлять их секс-игрушкой. Этот термин впервые был введен Тедом Нельсоном в 1975 году, когда он обсуждал будущее любви, близости и технологий. В последние годы теледильдоника и секс-технологии расширились и стали включать игрушки с двусторонним соединением, которые позволяют виртуальный секс посредством передачи вибраций, давления и ощущений. Многие «умные» вибраторы позволяют установить одностороннее соединение между пользователем или удаленным партнером, чтобы управлять игрушкой.

Видеоигры

Пакеты Rumble для контроллеров, такие как Dreamcast Jump Pack, обеспечивают тактильную обратную связь через руки пользователей.

Тактильная обратная связь обычно используется в аркадных играх , особенно в гоночных видеоиграх . В 1976 году мотоциклетная игра Sega Moto-Cross , также известная как Fonz , была первой игрой, в которой использовалась тактильная обратная связь, заставляющая руль вибрировать при столкновении с другим транспортным средством. TX-1 Тацуми представил силовую обратную связь в автомобильных играх в 1983 году. Игра Earthshaker! добавили тактильную обратную связь к автомату для игры в пинбол в 1989 году.

Обычны простые тактильные устройства в виде игровых контроллеров , джойстиков и рулей. Ранние реализации предоставлялись с помощью дополнительных компонентов, таких как Rumble Pak контроллера Nintendo 64 в 1997 году. В том же году компания Immersion Corporation выпустила Microsoft SideWinder Force Feedback Pro со встроенной обратной связью . Многие контроллеры консоли и джойстики имеют встроенные устройства обратной связи, которые являются двигателями с несбалансированными весами, спина, заставляя ее вибрировать, в том числе Sony «s DualShock технологии и Microsoft » s Impulse Trigger технологии. Например, некоторые автомобильные контроллеры рулевого колеса запрограммированы так, чтобы «чувствовать» дорогу. Когда пользователь делает поворот или ускоряется, рулевое колесо сопротивляется повороту или выходит из-под контроля.

Известные введения включают:

  • 2013: микроконсоли Steam Machines от Valve , включая новый блок Steam Controller, в котором используются утяжеленные электромагниты, способные обеспечивать широкий диапазон тактильной обратной связи через трекпады блока. Системы обратной связи этих контроллеров настраиваются пользователем. Также в 2013 году было представлено первое колесо с прямым приводом для симуляторов .
  • 2014: Новый тип тактильной подушки, реагирующей на мультимедийные сигналы от LG Electronics.
  • 2015: Steam Controller с HD Haptics, с исполнительными механизмами тактильной силы с обеих сторон контроллера, от Valve.
  • 2017: Нинтендо Переключатель «ы Джой-Con , представляя функцию HD Rumble, разработанный с Immersion Corporation и с использованием Alps приводов.
  • 2018: Razer Nari Ultimate, игровые наушники с парой широкочастотных тактильных драйверов, разработанные Lofelt .
  • 2020: Контроллеры Sony PlayStation 5 могут адаптировать сопротивление элементов управления триггером, например имитировать возрастающее сопротивление, ощущаемое при натяжении тетивы лука, а также более точную тактильную обратную связь с помощью приводов звуковых катушек.

Виртуальная реальность

Тактильные ощущения получают широкое признание как ключевая часть систем виртуальной реальности , добавляя осязание к ранее визуальным интерфейсам. Разрабатываются системы для использования тактильных интерфейсов для 3D-моделирования и дизайна, включая системы, которые позволяют видеть и ощущать голограммы. Некоторые компании производят тактильные жилеты или тактильные костюмы на все тело или туловище для использования в иммерсивной виртуальной реальности, чтобы пользователи могли чувствовать взрывы и удары пуль.

Смотрите также

использованная литература

дальнейшее чтение

внешние ссылки