近日,南方科技大學機械與能源工程系副教授王宏强團隊在機器人領域期刊IEEE Transactions on Robotics(T-RO)上發表了一篇關於靜電吸附力回饋VR手套的研究論文。論文題為“So-EAGlove: VR Haptic Glove Rendering SoftnessSensation With Force-Tunable Electrostatic Adhesive Brakes”。通過引入迴響控制機制,實現了靜電吸附力的精確且快速的控制,並且將其應用在VR手套中,能够在極小的空間和重量的前提下,類比超大軟硬度範圍的不同力感。
圖1靜電吸附力回饋手套So-EAGlove所能類比的物體楊氏模量範圍
虛擬實境和元宇宙的概念成為了當下的研究熱點,虛擬實境在娛樂,醫療和教育等領域發揮越來越大的作用。虛擬實境設備包括VR眼鏡和VR手套等,現時的VR手套往往只有資料獲取功能而不能提供觸覺迴響,但觸覺作為人類感知外部環境的重要手段,是進一步提高VR沉浸感和真實性的重要途徑。基於此,很多學者致力於觸覺迴響VR手套的研究,但是現時的觸覺迴響VR手套存在系統繁雜,重量大,價格昂貴,耗能高等缺點,嚴重限制了觸覺迴響VR手套的實際應用。近些年,靜電吸附科技在外骨骼機器人,微型機器人,爬壁機器人等領域嶄露頭角,體現了獨特的優勢。但是現時靜電吸附科技還存在一些問題,例如力大小難以控制以及電壓過高的問題,限制了它的應用前景。
囙此,該研究的主要目標是採用閉環迴響的控制方法實現靜電吸附力的精確和快速控制,並基於此研製一種輕便,低耗能,低成本的觸覺迴響VR手套。基於提出的控制方法,大大改進了之前開環控制的準確性,並有效提高了響應速度。在此基礎上,引入赫茲接觸力模型,並且利用模型計算出接觸力的趨勢,進而控制靜電吸附力跟隨理論接觸力,最終達到類比人手抓握不同物體的觸覺。同時採用新型介電材料,大大降低了所需的電壓,使得系統更加安全可靠。整個VR手套的重量僅為51克,功率僅約為2.43毫瓦。
圖2文中的控制方法實現了靜電吸附力的精確控制
圖3文中的控制方法實現了對於不同物體的迴響力的類比。
圖4受試者穿戴So-EAGlove手套系統實驗
研究者還進行了系統的實驗,將手套給多位受試者穿戴,通過該觸覺迴響手套,受試者能够準確感知到類比物體的剛度不同,準確率高達90%,並且在真實性評分中,該VR觸覺迴響手套的效果與人手抓握真實物體的效果沒有顯著區別。這一研究發現,有效解決了靜電吸附力準確控制的問題,靜電吸附在人機交互領域的系列問題,具有很强的理論和工程意義。
該論文由南方科技大學獨立完成。南方科技大學機械與能源工程系研究助理熊泉(現為新加坡國立大學博士生)為論文第一作者,2019級碩士研究生梁軒銓、2021級碩士研究生王華岑等人為共同作者,通訊作者為王宏强,南科大為論文第一單比特。該項目由國家自然科學基金、廣東省自然科學基金等資助。