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虚拟现实：触觉

在触觉虚拟现实设备中，首先介绍了触觉虚拟现实设备了理论基础和物理原理。

然后我们介绍了触觉虚拟现实设备目前的理论发展情况。接着，我们介绍了一些桌

面式虚拟现实反馈设备，如PHANTOM、MIRAISENS，以及一些穿戴式虚拟现实反

馈设备，如CyberGrasp、中视典数据手套。最后，我们展望了触觉虚拟现实理论基

础在今后能够有哪些改良和发展，以及触觉设备在今后能够有那些方面的提升和创

新。

一、背景

虚拟现实技术是一种有效的模拟人在自然环境中视、听、动等行为的高级人机

交互技术。在实现了视觉体验与听觉体验的高度结合之后，虚拟现实技术开始朝人

类的触觉感官进发。触觉源自于希腊语“Haptesthai”，意思是解除物体的感觉，触

觉指的是人通过皮肤对热、压力、振动、滑动以及物体表面纹理、粗糙度等特性的

感知。触觉反馈是指在人机交互过程中，计算机对操作者的输入做出响应，并通过

触觉反馈设备作用于操作者的过程。

二、工作原理

触觉反馈的虚拟现实系统由操作者、触觉反馈设备和虚拟环境组成。触觉反馈

设备的主要功能是利用传感器测量操作者的运动和位置，将数据实时、准确地输入

计算机，并且将虚拟环境中生成的力感和触感反馈给操作者，让操作者又身临其境

的沉浸感。虚拟环境接受由传感器传入的数据，根据一些特定的算法生成三维图像

和控制信号，分别传给显示设备和触觉反馈设备。

三、理论研究

力觉和触觉的生成研究最早可追溯到1954年。在远程控制的核环境集成机器人

系统中，德国科学家开展了力觉生成的研究。经过几十年的缓慢发展，人们逐渐意

识到触觉的生成和反馈具有广泛的应用前景。近年来，触觉再现技术的重要性已被

广泛认识并开始得到重点研究。美国的斯坦福大学、哈佛大学、西北大学、华盛顿

大学、麻省理工学院等先后开展了触觉建模和触觉再现的研究。

目前，最常见的力觉和触觉生成算法是利用PHANTOM设备，根据虚拟物体的

刺穿深度运用虎克定律计算接触力。当用户手指操作PHANTOM设备与虚拟环境交

互，作为手指化身的“Avatar”接触到虚拟物体时，Massie和Salisbury提出用弹簧

线性力学模型来模拟它们之间的力学关系，运用虎克定律计算作用力，并且反馈到

用户的真实手指上。依据虚拟物体刺穿深度的不同求解方法，该方法又可分为基于

点的接触力生成算法和基于射线的接触力生成算法。

国内对触觉生成也展开了相关研究。浙江大学CADCG国家重点实验室的杨文

珍等通过试验得到指尖接触力与接触面积之间关系的数据样本，利用回归方程建立

两者之间关系的经验公式，然后以虚拟指尖接触面积为变量计算出指尖接触力。采

用软手指接触模型。依据虚拟手最小平衡力抓持假设，用近似摩擦锥等作为优化目

标函数来求解抓持力，并最终在虚拟环境中进行了实现。

东南大学的吴涓和宋爱国等提出了一种基于物理意义的快速力反馈形变模型和

实时力觉相应算法。该方法不仅计算速度快，可以满足力反馈的实时性要求，而且

能够同时保证接触力和形变的计算具有较高的精度。

四、产品开发

1.桌面式反馈设备

桌面式反馈设备通常是固定在桌面或者是地面上的，更像是一个小型的机器人。

操作者控制这些桌面式反馈设备的末端进行操作。反馈设备通过检测末端点的位置

来计算力的大小，通过驱动装置来给操作者提供触觉反馈的感觉。

（1）Phantom

由美国Sensable公司生产的“Phantom”是一个典型的桌面式反馈设备，在世

界范围内都用得很广泛。在Phantom发明之前，电脑使用者仅能凭借看或是听

和电脑或设备互动，而在很多任务或工作中都扮演着最重要角色的触觉，很显

然的被忽略了。Phantom的出现改变了这样的情况。就像使用者通过屏幕看见

影像，通过音响装置听见合成声音一般，Phantom可以让使用者触摸并且可操

作虚拟的物体。

Phantom是一款具有优越性能，符合人体工程学，支持所有常用的软件又同时

兼具美感的低价位产品。它专为商业用途而设计，可以经过EPP连接电脑，使

用一般的电压即可。笔尖内的编码器能感应到6自由度左右的范围。本产品携

带方便，具有设计